植物细胞(I).ppt
第一章 植物细胞（Plant cell),1.细胞概述 2.细胞壁的结构与功能 3.细胞的膜系统 4.细胞骨架 5.胞间连丝,1.细胞概述1.1 细胞的共性,所有细胞都具有基本相同的化学组成，如蛋白质、核酸、脂类和糖类等；所有细胞都具有磷脂双分子层和镶嵌蛋白组成的生物膜；所有细胞都以核酸分子DNA和RNA作为遗传和转录载体；所有细胞都具有蛋白质的合成机器核糖体；所有的细胞都有一分为二的增殖方式。,1.2 原核细胞(procaryotic cell)和真核细 胞(eucaryotic cell),原核细胞构成原核生物（Prokaryote),都是单细胞生物。真核细胞构成真核生物（Eukaryote):包括多细胞生物和单细胞生物。,表1-2 原核细胞和真核细胞遗传结构装置与基因表达的比较,Structure of plant cell mesophyll leaf cell,1.3 高等植物的细胞,Cell:cell wall:primary wall secondary wall middle lamella plasmodesma protoplast:plasma membrane nucleus cytoplasma:cytosol cell organelle:mitochondrion plastid(chloroplast),Endoplasmic neticulumGolgi bodymicrobody(peroxisome)central vacuole lysosome(plasmodesma)microtubulemicrofilmentintermediate filamentribosome,Cell Wall plastid(chloroplast),photosynthesis Central vacuole indeterminate growth.Totipotency,高等植物细胞的特点:,1.4 原生质(protoplasma)的性质 原生质的主要成分:蛋白质（10%）脂类(2%)核酸(1%)其它有机物（0.4%）无机物（1.5%）水（85%）因此原生质具有液体的性质:张力 粘性和弹性 流动性,构成原生质的大分子直径一般在0.1-0.5m,这样大小的颗粒分散于水相中,正好形成了胶体溶液，其中大分子或其复合物为分散相，水溶液为连续相。因此原生质是一个亲水胶体系统。,因此原生质具有胶体的性质:,原生质的胶体特性及与植物生命活动的关系,带电性与亲水性：保证了原生胶体的稳定，使生命活动 得以正常进行。扩大界面：为各种生化反应提供了场所。随表面积增大，表面能增加可以吸引很多分子聚集在表面上，这 就是吸附作用，吸附作用在细胞生理活动中其重 要作用，如对离子的吸收等。,溶胶和凝胶都是植物正常生命活动所必需的。溶胶和凝胶的互变对植物适应逆境有重要意义。溶胶状态时，代谢旺盛，生长快，但抗性较差。凝胶状态时，代谢降低，生长慢，抗性强，有利于度过不良环境。原生质胶体特性赋予了原生质随机应变的适应性。原生质胶体结构既具有溶液那样的易变形，又具有固体那样的稳定性。,吸胀作用(imbibition):凝胶具有强大的吸水能力,凝胶吸水膨胀的现象称为吸胀作用.种子吸水就是通过吸胀作用进行的.,2.细胞壁（cell wall)的结构与功能,2.1 细胞壁的组成 2.1.1 细胞壁中的多糖物质 纤维素（cellulose）约占初生壁的20%-30%。,Structural model of a cellulose microfibril.,组成、结构与特性,(Hemicellulose),D-glucose 通过（14）糖苷键形成长链纤维素分子。纤维素分子通过氢键形成维纤丝(microfibril)。60-70个纤维素分子4-10nm沿纤维素维纤丝分布着结晶区和非定形区（amorphous)。具有高的张力强度、水不溶性，不易被化学物质和酶破坏。,纤维素在质膜纤维素合成复合体上进行合成的可能分子模型,生物合成：,合成位点：质膜上的蛋白复合体-终端复合体（terminal complex)。它是由多个纤维素合酶（cellulose synthase)单元构成莲座结构，又称particle rosette.前体物质是UDPG.与膜相连的蔗糖合酶直接为纤维素合酶提供底物。,直到目前还没有纯化出活性的纤维素合酶。,Terminal complex associated with cellulose microfibril biosynthesis by freeze-fracture and rotary-shadowing.,纤维素合酶基因（CesA)的克隆 基于产生纤维素的细菌和农杆菌的纤维素合酶的研究工作基础，通过筛选cDNA文库方法，首先从棉花中克隆到两个纤维素合酶的基因。编码约110kD的蛋白，有8个跨膜区，具有高度保守的UDPG结合和催化区,另外含有两个植物特有的区域。遗传分析表明该基因能补偿拟南芥纤维素合成缺陷突变的表型。但在体外还不能大规模合成纤维素。在拟南芥基因组中已找到几个CesA同源类似物，及另外一些具有UDPG结合区的序列，为研究其它多糖合成提供了线索。,Cellulose synthases from Acetobacter xylinum,Agrobacterium tumefaciens,and Gossypium hirsutum,组织与定向,The relationship between terminal complexes with microtubule,微管可能参与纤维素微纤丝的定向。,维纤丝合成后释放到细胞壁内层，在细胞壁其它多糖参与下组装为细胞壁。,半纤维素(hemicellulose),又称纤维素连接多聚糖（cellulose-linking glycan）不同种类的糖聚合而成的异质多聚糖，是除纤维素和果胶以外的溶于碱的细胞壁物质的总称.,常见的半纤维素:木葡聚糖(xyloglucan,XG)，葡糖醛酸阿拉伯木聚糖（Glucuronoarabinxoylans,GAX),混合键葡聚糖mixed-linkage-(1,3),(1,4)-glucan,MLG,葡甘露聚糖(Glucomannan)，木聚糖（xylan)，阿拉伯木聚糖（Arabino xylan),胼胝质(callose,1,3 D glucan)等。,Xyloglucans存在于所有双子叶植物及差不多一半的单子叶植物中。,GAX(葡糖糖醛酸阿拉伯木聚糖）：主要存在于鸭跖草类单子叶植物。在其它植物中少量存在。,MLG 混合键葡聚糖（1 3)(1 4)-D-glucan主要存在于单子叶谷类和草类植物中。,半纤维素的功能：连接纤维素维纤丝使其形成网状结构；控制细胞生长 半纤维素水解产生的寡聚糖具有信号分子作用。,Gal xyl xyl xyl xyl Glc-Glc-Glc-Glc Glc-Glc-Glc-Glc xyl xyl,Fuc Gal xyl xyl Glc-Glc-Glc-Glc xyl,Three oligosaccharins from xyloglucan,XG9 具有很强的抗生长素活性,果胶质是中胶层的主要成分。是细胞壁中可溶性最强的多糖,可用钙螯合机剂如EDTAEGTA或热水提取。由一大类异质的分枝的多糖构成:含有半乳糖醛酸（galacturonic acid)、鼠李糖（rhamnose）、半乳糖（galactose），阿拉伯糖（arabinose）等。其化学结构和组成在不同植物中和不同组织中有所不同。,果胶类物质(Pectic substance),果糖类分子的主要特征是由a-（14）连接的D半乳糖醛酸组成的线状链。植物细胞壁存在的果胶主要有:同型半乳糖醛酸聚糖（galacturonan）和鼠李半乳醛酸聚糖I（rhamnogalacturonan,RGI）.,(A)Homogalacturonan-GalA-(1 4)-GalA-(1 4)-GalA-(1 4)-GalA-,RGII 含有多种单糖而且具有非常复杂的连接，且结构在被子植物中高度保守，可能具有重要功能。RGII可以形成二聚体。,(B)RhamnogalacturonanI(RGI)：是(1 2)-L-Rha和(1 2)-D-GalA重复形成主链。其它中性糖如阿拉伯聚糖、半乳聚糖，分支的阿拉伯半乳聚糖连接在Rha蚕基上。,果胶物质的功能：决定细胞壁的多孔性（poroxity)；提供带电荷的介质，调节细胞壁pH、离子平衡及影响酶活性；细胞与细胞的粘附；水解产生的寡聚糖作为信号分子参与防御病原菌侵害。,如:Galacturonic acid oligomers作为信号物质.(14)-D-GalA-(14)-D-GalA n-（14)-D-GalA-,XG和果胶物质的合成在高尔基体中完成,Biosynthesis for xyloglucan(A)and pectic polysaccharide(B),2.1.2 细胞壁蛋白 参与细胞壁结构的蛋白质:富羟脯氨酸糖蛋白（hydroxyproline-rich glycoprotein,HRGP）富甘氨酸蛋白（glycine-rich protein，GRP）富脯氨酸蛋白（proline-rich protein，PRP）阿拉伯半乳聚糖蛋白（arabinogalactan protein,AGP）:,结构蛋白的特点:,具有高度重复的氨基酸序列并高度糖基化。刚从细胞分泌出来时是可溶的，但是随细胞壁的逐渐成熟，这些蛋白也变得难以溶解。分布具有组织特异性:HRGP常位于形成层、韧皮部薄壁细胞和厚壁组织细胞中；GRP和PRP则常位于木质部导管和纤维等非常特化的细胞壁中。当受到外界的刺激，例如伤害、病理破坏或者引起细胞抗逆反应的处理都会诱导结构蛋白基因的表达。,伸展蛋白(extensine)是HRGP家族中的一个亚族.它具有Ser-Hyp-Hyp-Hyp-Hyp 和 Tyr-Lys-Tyr 高度重复的基本单元.功能:伸展蛋白通过肽键交联构成独立的网状结构，增加了细胞壁的强度和刚性;伸展蛋白基因表达可以被伤害和病害所诱导,因此可能与植物细胞抵抗逆境有关。,Comparisons of repeated motifs of extensins,maize Thr-rich proteinPRPs,GRPs.,阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）：高度糖基化，可能在细胞间的识别和信号传导中起作用。,所有结构蛋白的肽链均在粗糙内质网中合成，在高尔基体中进行糖基化，再由高尔基囊泡运输到膜外。,酶蛋白:氧化还原酶:过氧化物酶、苹果酸脱氢酶 水解酶:纤维素酶、果胶酯酶、糖苷酶 糖基转移酶:木葡聚糖内转葡糖基酶（xyloglucan endotransglycosylase,XET）,过氧化物酶催化细胞壁结构蛋白交联,纤维素酶的最适pH在5.5-6.0,即在酸性条件下水解-1，4葡萄糖苷键。在细胞壁中的底物可能主要是含有葡糖糖主链的半纤维素。,Actions of XET and Expansins,调节蛋白:膨胀素（expansin）:可以使热失活的细胞 壁恢复在酸性条件下伸展的蛋白质。作用可能是微纤丝和基质多糖之间的非共价键断 裂，促进聚合物间的滑动，使细胞壁松弛。扩张蛋白是多基因家族编码，其表达受时间和空 间的严格调控，在不同组织器官和发育时期有不 同作用。,expansin,Microfibril separation via loosening the cross-linking glycans by expansins,Expansin 的鉴定及作用分析,钙调素和钙调素结合蛋白:它们可能在与钙 相关的信号转导中起作用。,凝集素（lectin）:是一类能够凝集细胞或使含糖大分子发生沉淀的蛋白质。凝集素通常由几个亚基组成，多数有疏水结合部位并含有Mn2+、Ca2+等金属离子。凝集素可能在植物的防御反应起重要作用。,2.1.3 矿质 细胞壁是植物细胞的最大钙库（浓度可达到10-5-10-4mol/L）。作用：钙在细胞壁的果胶的羧基间形成钙桥（calcium bridge），有固化细胞壁 的作用；钙在细胞信号转导过程中起重要作用。,Calcium-pectate interaction in the cell wall,2.1.4 其它化学成分:木质素 是高度分枝的苯丙烷基团聚合物，是由三种苯丙烷醇(松柏醇、香豆醇、芥子醇)形成的，它们是通过苯丙氨酸途 经形成的肉桂酸形成的。木质素取代了基质中的水分,共价结合在在纤维素和其它多糖上形成疏水网状结构。木质 素增加细胞壁的机械强度和抵抗病原菌的能力。栓质 由酚类和脂类化合物构成，栓质可防止水分蒸发。角质 由长度不等的脂肪酸构成,可防止水分蒸发,机械损伤等.,2.2 细胞壁的结构 植物细胞壁一般地可以分为:初生壁（primary wall）次生壁（secondary wall）中胶层（middle lamella）,A.Diagram of the cell wall organization;B.Cross section of pine tracheid in which three distinct layers in the secondary wall are visible.,次生细胞壁、初生细胞壁和中胶层结构示意图,2.2.1 初生壁的结构 不同植物及不同发育时期的细胞壁结构不同。基本结构：初生壁由2-3个结构上独立但相互作用的网构成。纤维素和交联的葡聚糖网悬浮在亲水的果胶基质网中，结构蛋白或酚类化合物构成第三个网。,Type I型细胞壁：大多数双子叶植物和非鸭跖草类单子叶植物具有I 型细胞壁。特点：木葡聚糖和纤维素几乎等量 XG结合在纤维素葡聚糖表面，或作为葡聚糖 之间的交联，维持微纤丝的空间排列。果胶基质调节壁的孔度。,A three-dimensional molecular model of cell wall shows the molecular interactions between cellulose,XG,pectins and cell wall protein.,Type II 型细胞壁,The structure of primary wall of onion epidermalBar=20nm,2.2.2 次生壁的结构 次生壁在结构和组成上高度特化。次生壁比较厚并且多层沉积，具有比初生壁高得多的纤维素的含量，而且纤维素微纤丝的排列也比较有规律。在次生壁中含有木聚糖（xylan）。次生壁常常含有木质素（Lignin），木质素取代了细胞壁基质中的水分，与纤维素紧密交联形成一个疏水的网并阻止细胞进一步伸长。,The structure of secondary wall at different cells.,Cell wall formation,shown diagrammatically,细胞壁结构物质的组装:分泌到细胞壁中的细胞壁结构物质必须按照细胞壁的结构需要进行组装、排列和交联，以满足细胞功能的需要。对于细胞壁结构物质的组织机制可能有两种方式：自组装的方式：细胞壁中的多糖物质可能具有自发地组织成一定的结构的趋向。酶促组装方式 酶在细胞壁的组织中也有重要作用.如XET,糖苷酶,果胶甲酯化酶,过氧化物酶等可能均在细胞壁组装过程中起作用。,细胞壁的形成需要多种亚细胞结构的参与,cellulosemicrofibril,particlerosette,plasmamembrane,Golgi body,roughendoplasmic reticulum,transtion vesicle,2.4 细胞壁的功能（自学）,作业：查阅细胞壁研究的新进展讨论细胞壁在信息传递与细胞识别方面的功能。,细胞壁是在细胞生长的动态过程中形成的。在细胞分裂的晚后期或早未期，正在分裂的细胞中的两极纺锤丝消失，靠赤道面的纺锤丝被保留下来，并在其周围增加微管的数量，向外围扩展形成桶状的结构，称为成膜体（phragmoplast）。成膜体主要以微管和内质网组成。富含成壁物质的高尔基体囊泡沿着成膜体的微管集中并排列在赤道板上，高尔基体囊泡的膜彼此发生融合并连接形成新的细胞膜，高尔基体囊泡中的内含物（主要为果胶质）被释放出来形成细胞板。在细胞板尚未延伸到母细胞两侧壁上的时候，两个子细胞之间的新壁已开始加固，新形成的质膜合成纤维素，分泌囊泡继续向外分泌，多糖沉积在质膜之间的细胞板上，逐渐形成为中胶层。此时高尔基体囊泡持续不断地运送过来，并将其含有的细胞壁合成的前体物质释放出来，合成、组装形成初生壁。初生壁两侧膜间的膜连续部分最终形成胞间连丝.,在细胞的初生壁形成之后，细胞仍然可以继续生长成熟。其生长过程表现为：细胞壁物质的继续合成和分泌，已有细胞壁物质的疏松和扩张（在细胞壁各种酶作用下）。细胞壁物质在细胞壁中再组装，直至细胞停止生长，次生壁形成。细胞壁微纤丝沉积的方向决定着细胞生长的方向，扩张生长的细胞，微纤丝无定向沉积，伸长生长的细胞微纤丝沉积方向与长轴垂直。,
