Rastlinná bunka

Rostlinná buňka

Buňka je základní stavební a funkční jednotka živých soustav. V jejich buněčných strukturách probíhají biochemické reakce. Všechny dnešní buňky měly patrně předka v původní buňce se základními biochemickými aktivitami. Odtud se rozdělily do 3 linií: archaebakterie, eubakterie a eukaryotní organismy. Archaebakterie a eubakterie patří souhrnně mezi prokaryotické buňky. Jejich rozdíl s buňkami eukaryotickými spočívá v tom, že jsou mnohem menší, mají jen jednu cytoplazmatickou membránu. Nemají žádné organely - jádro neexistuje. DNA je jako jeden chromozom nechráněn v cytoplazmě, všechny další části (ribozómy, speciální biochemické cykly) jsou také volné neohraničené a nemají cytoskelet. Tvar buňky je určen buněčnou stěnou. Eukaryotické buňky jsou naproti tomu mnohem větší, vše je členěno do membránových kompartmentů a tvar buňky je určen zejména cytoskeletem (Doucha, n.d.).

Chemické složení buňky

Buňku tvoří z 60% - 90% voda. Po jejím odpaření získáme sušinu, která obsahuje látky anorganické (1 - 10%) a látky organické (bílkoviny, sacharidy, tuky a nukleové kyseliny). Voda slouží především jako rozpouštědlo. Mnohé reakce v buňce probíhají ve vodných roztocích, některých se voda přímo účastní. Voda má schopnost štěpit jiné molekuly na ionty, důležité pro další biochemické reakce. Většinu látek přijímá buňka ve vodních roztocích, pouze výjimečně přijímá pevné částice (fagocytóza).

Bílkoviny jsou makromolekulární sloučeniny. Vznikají pospojováním aminokyselin peptidovou vazbou - vzniká polypeptidový řetězec. Aminokyselin je asi 20 (např. valin, glycin) a jejich uspořádání a zastoupení vytváří specifiku bílkovin. Molekuly bílkovin jsou stavební součástí všech buněčných struktur. Bílkoviny mají význam při regulaci procesů v buňce - hormonální regulace, imunitní ochrana organismu (bílkoviny = protilátky). Nukleové kyseliny jsou další základní makromolekulární látkou živých organismů. Vznikají pospojováním nukleotidů. Každý nukleotid je tvořen dusíkatou bází, cukrem a kyselinou fosforečnou.

Nukleové kyseliny mají význam pro dědičnost tzn. pro přenos genetické informace. Pořadí nukleotidů v kyselině určuje vlastnosti buněčných bílkovin. Rozlišujeme 2 základní nukleové kyseliny:

Kyselina ribonukleová (RNA) je jednovláknitá. Obsahuje cukr - ribózu, dusíkaté báze: adenin (A), uracil (U), cytozin (C) a guanin (G).
Kyselina deoxyribonukleová (DNA) je dvouvláknitá. Obsahuje cukr deoxyribózu, dusíkaté báze: adenin (A), tymin (T), cytozin (C) a guanin (G).

Sacharidy jsou nejpohotovější zdroj energie. Jejich význam spočívá v energetickém metabolismu. Při fotosyntéze dochází k tvorbě glukózy, přeměňuje se světelná energie v energii chemickou, která je potřebná pro uskutečňování životních funkcí. Sacharidy dělíme na monosacharidy, disacharidy, polysacharidy, škrob a glykogen, celulózu a chitin.

Tuky jsou estery vyšších karboxylových kyselin s glycerolem. Jsou především zásobou energie. Fosfolipidy na sebe váží zbytek kyseliny fosforečné a jsou součástí biomembrán. Všechny organely membránového charakteru nazýváme souborně membránová soustava buňky. Tvoří ji:

1. Mitochondrie - drobné tyčinkovité až vláknité útvary. Skládají se ze dvou biomembrán. V mitochondriích se uvolňuje energie z chemických látek - jsou to tedy energetická centra buňky.
2. Endoplazmatické retikulum - systém navzájem propojených zploštělých měchýřků. Obsahuje četné enzymy, které katalyzují řadu chemických reakcí. Na membránu některých měchýřků jsou připojeny ribozómy.

3. Golgiho systém - soustava velkých zploštělých měchýřků s množstvím malých měchýřků na periferii. Probíhá zde řada biochemických procesů, zejména úprava látek, které jsou vyměšovány z buňky. Endoplazmatické retikulum a Golgiho systém jsou syntetická centra buňky.

4. Lysozómy - malé měchýřky tvořené biomembránou. Obsahují převážně enzymy se štěpnou funkcí (trávicí enzymy). Jejich funkcí je rozkládat některé látky buňkou přijaté a nepotřebné. U rostlin tuto funkci plní vakuola.

5. Plastidy - se vyskytují u rostlinných buněk. Patří sem především leukoplasty, chromoplasty a chloroplasty. V chloroplastech se nachází tylakoidy, v nichž probíhá fotosyntéza.

6. Vakuoly - se vyskytují u rostlinných buněk. Jde o velký měchýř naplněný roztokem. Obsahují i enzymy, které jsou důležité v metabolických přeměnách.

7. Cytoskeletární aparát - tvoří vlákénka z bílkovin. Jsou uspořádány do svazku a umožňují pohyb cytoplazmy uvnitř buňky a pohyb buňky vůči okolí. Jsou strukturálním základem i ostatních organel pohybu, tj. kvasinek (u prvoků) a bičíků (u prvoků a spermií).

8. Jádro - je ohraničeno dvěma biomembránami, tzv. jaderným obalem s jadernými póry. Hlavním obsahem jádra jsou chromozómy. Jsou to tyčinkovité tělíska, skládající se ze šroubovicově stočeného vlákna chromatinu (komplex DNA a bílkovin). V jádře je jedno nebo více malých kulatých tělísek - jadérek, tvořených bílkovinami a RNA. Do jádra je zakotvena dědičná informace, a proto je jádro řídícím centrem buňky.

9. Buněčná stěna - ohraničuje rostlinnou buňku. Jejím základem je u rostlin celulóza, u hub chitin. Některé buňky obsahují v buněčné stěně i další sloučeniny - soli, bílkoviny, vosky, lignin apod.. Stavba rostlinné buňky. Schéma rostlinné buňky:

a - vakuola, b - váček, c - plazmatická membrána, d - diktyozóm (Golgiho tělísko), e - plastid, f - plazmodesm, g - endoplazmatické retikulum, h - jádro, i - jadérko, j - chromatin, k - ribozómy, l - mitochondrie, m - základní cytoplasma, n - buněčná stěna.

Obecná struktura buňky

Na každé buňce můžeme rozlišovat cytoplazmu, jádro a buněčné povrchy.

1) Cytoplazma se skládá z množství drobných buněčných struktur - plazmatických organel, které mohou být několikerého druhu: a) Biomembrány jsou strukturálním základem plazmatických organel. Tvoří je molekuly fosfolipidů a bílkovin. Buněčné organely, jejichž základem jsou biomembrány, se nazývají membránové struktury buněk.
b) Ribozómy jsou zrníčka složená z RNA a bílkovin. Probíhá na nich tvorba nových bílkovin.
c) Cytoskeletární aparát (viz níže)
d) Buněčná inkluze - látky zásobní (bílkoviny, tuky, škrob) - látky odpadové (soli, pigmenty)
2) Buněčné jádro je tvořeno chromozómy. Každý chromozom obsahuje velkou molekulu DNA, a proto je jádro nositelem informací pro dědičné vlastnosti.

3) Buněčné povrchy tvoří zejména plazmatická membrána a buněčná stěna.
a) Plazmatická membrána je polopropustná. Její funkcí je regulovat příjem a výdej látek a chování buňky podle podnětů z prostředí.
b) Buněčná stěna je pro většinu látek propustná. Nenachází se u živočišných buněk. Je pevná a určuje tvar buňky. Buněčná stěna ohraničuje rostlinné buňky, s výjimkou pohlavních buněk (gamet), které ji nemají. Buněčné stěny dodávají buňkám potřebnou pevnost, do značné míry podmiňují jejich tvar a chrání živý obsah buňky, protoplast. Základní složkou buněčné stěny rostlin ( i některých hub ) je polysacharid celulóza (nejhojnější přírodní organický polymer), která v podobě mikrofibril o tloušťce 10 až 25 nm vytváří celulózovou kostru buněčné stěny, doplněnou hlavně hemicelulózami a pektiny.

Hemicelulózy představují ve srovnání s celulózou různorodou skupiny polysacharidů s odlišným chemickým složením a kratšími řetězci; plní často zásobní funkci. Pektiny jsou kyselé polysacharidy, přítomné kromě buněčné stěny i v buněčné šťávě vakuol. Ve větší míře se hromadí v dužnatých plodech (jablka, citrony aj.). Snadno bobtnají, poutají vodu, a tím v rostlinách ovlivňují hospodaření s vodou. V závislostech na typu pletiva může být buněčná stěna vyztužena ještě dalšími organickými či anorganickými látkami. Z organických látek to bývá především lignin (dřevovina , z lat.lignum=dřevo); jde o složitý, po celulóze v přírodě nejhojnější rostlinný polymer, který provází celulózu a podmiňuje dřevnatění (lignifikaci) buněčné stěny. Zvyšuje její pevnost, a proto je hojně zastoupen ve stěnách rostlinných buněk s mechanickými funkcemi.

Kutin , suberin a vosky jsou látky tukovité povahy, obsažené v buněčných stěnách, které jsou součástí vnějších ochranných pletiv rostlin; zamezují zde hlavně ztrátám vody. Buněčné stěny obsahující suberin (z lat.suber=korek) jsou zkorkovatělé (např. slupka bramborové hlízy). Buněčná stěna rostlinných buněk může mít až tři vrstvy – střední lamelu, primární stěnu a sekundární stěnu. Střední lamela spojuje stěny dvou sousedních buněk; vzniká především z pektinových látek, které se při buněčném dělení hromadí v rovníkové poloze dělícího vřeténka. Ke střední lamele přiléhá primární stěna, tvořená hlavně z celulózy, hemicelulóz a pektinových látek. Primární stěna je pružná, snadno roste do plochy vkládáním nových celulózových mikrofibril do již existující sítě. To umožňuje prodlužování buněk při růstu kořene, stonku nebo listů. Po ukončení růstu mohou některé buňky (hlavně vodivých a mechanických pletiv) směrem dovnitř vytvářet sekundární stěnu, která je ve srovnání s primární stěnou výrazně silnější; vzniká postupným přikládáním vrstev tvořených přibližně rovnoběžně uspořádanými celulózovými vlákny.

Protoplasty buněk po vytvoření sekundární stěny často odumírají. Tloustnutí buněčné stěny se často omezuje jen na určitá místa; např. pro cévy, které mají vodivou funkci, je charakteristické kruhovité a šroubovité tloustnutí. Tloušťka buněčné stěny při tom nebývá stejná; obsahuje ztenčeniny, tzv. tečky. Tečkami procházejí cytoplazmatická vlákna (plazmodezmy), spojující živé protoplasty sousedních buněk. Vakuoly představují drobné či větší útvary, ohraničené polopropustnou membránou zvanou tonoplast. V buňkách dělivých pletiv bývá několik drobných vakuol, které s vývojem buněk postupně splývají, takže v dospělých buňkách se zpravidla nachází jen jediná centrální vakuola, zaujímající až 90% objemu buňky. Vakuoly vyplňuje buněčná šťáva, tj. vodný roztok různých organických i anorganických látek. Ze zásobních látek jsou zde obsaženy zejména cukry a bílkoviny, dále mnohé meziprodukty látkové výměny (aminokyseliny, organické kyseliny aj.), z druhotných produktů látkového metabolismu např. alkaloidy, třísloviny, barvivá atd.
V některých případech je koncentrace těchto látek ve vakuole dostatečně vysoká a tvoří se krystaly. Například přebytky jedovaté kyseliny šťavelové reagují s ionty vápníku na neškodný šťavelan vápenatý . Pestrost a krása světa rostlin je do značné míry podmíněna přítomností širokého spektra různých barviv. Lze je rozdělit na barviva rozpustná ve vodě (hydrochromy) a barviva rozpustná v tucích a jejích rozpouštědlech (lipochromy). Hydrochromy se vyskytují v buněčné šťávě vakuol (antokyany), lipochromy, jsou obsaženy v plastidech (chlorofyly, karoteny, xantofyly ). Antokyany mají značné rozšíření v přírodě. Zbarvují např. modře květy pomněnek, červené květy máků či růží, dále jsou obsaženy v mnohých plodech (ptačí zob, černý rybíz aj.), v listech (červené zelí) apod. Podle reakce buněčné šťávy vakuol, tj. její kyselosti či zásaditosti, se mění barva antokyanů; kyselé roztoky antokyanů bývají červené, neutrální fialové a zásadité modré.

Plastidy jsou charakteristické organely eukaryotických rostlinných buněk. Jejich přítomnost je podmiňována autotrofním způsobem výživy, jsou místem fotosyntézy. Na povrchu jsou kryty dvojitou membránou. Vznikají dělením již existujících plastidů. Chloroplasty jsou zelené fotosynteticky aktivní plastidy, vyskytující se v zelených částech rostlin. U vyšších rostlin mívají nejčastěji čočkovitý tvar o šířce 2 až 5 mm. V každé buňce jich bývá obvykle několik desítek. Povrch chloroplastů kryje dvojitá membrána, jejíž vnitřní část vytváří systém plochých váčků, thylakoidů. V těch jsou umístěna fotosyntetická barviva, umožňující zachycení a přeměnu sluneční energie na energii chemických vazeb. Hlavním fotosyntetickým barvivem je chlorofyl, který existuje v několika typech (a,b,c,d).

Při stárnutí listů, stonků či plodů ztrácejí chloroplasty vlivem rozkladu chlorofylu zelenou barvu a mění se na chromoplasty. Tento proces je nápadný např. při dozrávání šípků nebo plodů rajčat . Chromoplasty představují fotosynteticky neaktivní plastidy žluté, oranžové či červené barvy, což je podmíněno přítomností specifických barviv – červených až žlutých karotenů a žlutých xantofylů. Chromoplasty se vyskytují ve zralých plodech, květech, barevně se uplatňují v podzimním listí, někdy jsou obsaženy i v kořenech (např. u mrkve). Chromoplasty v řadě případů, díky nápadnému zbarvení rostlinných částí, napomáhají při opylování květů či rozšiřování plodů prostřednictvím živočichů. Leukoplasty neobsahují žádná barviva; jsou schopny syntetizovat a hromadit rozmanité látky, zejména škrob, oleje a bílkoviny.

Nejhojnějším typem jsou leukoplasty hromadící škrob - amyloplasty. V chloroplastech rostlin vzniká tzv. asimilační škrob, který se ve formě jednoduchých cukrů převádí do amyloplastů, kde se ukládá jako zásobní škrob. Škrob je nejrozšířenější zásobní látkou zelených rostlin. Buňku ve smyslu teorie systémů lze chápat jako složitý, heterogenní, dynamický a otevřený systém tvořený buněčnými strukturami (organelami). Systém buňky je vlastně množinou prvků systému s určitými vlastnostmi, vzájemnými vztahy a vztahy k prostředí. Buňka představuje složitou, prostorově rozčleněnou základní stavební a funkční jednotku těla rostliny. U jednobuněčných organismů (bakterie, sinice, řasy) existuje samostatně a vykonává všechny životní funkce.

Dělení buněk

Buňky vznikají nejčastěji dělením buněčným čili cytokinezí. Dělení buněk zpravidla předchází dělení jádra již existujícího (karyokineze). Někdy dochází k rozdělení jádra a nikoli k dělení buňky a tak vznikají vícejaderné buňky anebo po splynutí jader buňky polyploidní. V podstatě rozlišujeme dva způsoby dělení jádra buněčného a to dělení přímé (amitózu) a nepřímé (mitózu).Podle způsobu oddělování dceřiných buněk rozlišujeme: zaškrcování, pučení, přehrádečné dělení, volné novotvoření. Základní děje probíhající při dělení buňky jsou tyto: replikuje se DNA, dceřiné molekuly DNA se od sebe prostorově oddělí a rozdělí se i buňka. Vzhledem k složitosti stavby chromozómů, k jejich počtu a k organizaci buněčného jádra je dělení eukaryotní buňky poměrně složité. Replikace DNA je nenápadný děj, který proběhne v buňce dříve, než jsou na jádře patrny jakékoli přípravy k dělení. Obsah DNA v jádře se přitom zdvojnásobí. Vlastní dělení jádra nezačíná obvykle hned po replikaci, zpravidla následuje ještě klidové období.

I.FÁZE Nastává karyokineze – dělení jádra. Je to tzv. mitóza, a je provázena změnami struktury jádra, které jsou dobře znatelné i v optickém mikroskopu. Zaručuje, že každý z nově vzniklé dvojice chromozómů se dostane do jedné z nově vznikajících buněk. Počet i složení chromozómů v dceřiných buňkách jsou pak zcela stejné jako v původní mateřské buňce. Mitóza má několik po sobě následujících fází:

1. PROFÁZE

Nejdříve se v jádře začnou objevovat mikroskopicky zjistitelné chromozómy jako barvitelné pentlicovité útvary různé délky a tvaru. Počet i tvar chromozómů je dán pro každý druh organismů; mluvíme o charakteristické sadě chromozómů. Stávají se viditelné proto, že se oproti původní délce v klidovém jádře zkrátí a tím se zvětší jejich tloušťka – spiralizace. Již na počátku těchto změn se rozpadá jadérko. Jak se chromozómy postupně zkracují, je stále zřetelnější, že jsou dvojité. Dvojice leží těsně vedle sebe a jsou navzájem spojeny v místě, kde se budou upínat mikrotubuly dělícího vřeténka. Toto místo, centroméra, má na každém z chromozómů charakteristickou pozici. Současně s těmito změnami v jádře nastávají i změny v buněčném cytoskeletu. Většina mikrotubulů původní buňky se rozpadne a místo nich začnou vznikat v blízkosti jádra kolem dvou center dvě soustavy hvězdicovitě uspořádaných mikrotubulů. Tyto dva útvary se od sebe oddalují a směřují ke konečnému postavení na dvou protilehlých pólech jádra.

2. METAFÁZE

V další fázi se rozpadne jaderný obal na ploché váčky, které se vzdálí od původního místa a vypadají zcela jako cisterny endoplazmatického retikula. Obě mikrotubulární centra se postaví proti sobě na obě strany shluků chromozómů, který je v místě původního jádra. Mikrotubuly mezi oběma centry vytvoří tzv. dělící vřeténko. Uprostřed vřeténka, v jeho ekvatoriální (rovníkové) rovině, se uspořádají chromozómy do plochy, připoutané svými centomérami na mikrotubuly dělícího vřeténka. Každý ze dvou nově vzniklých sesterských chromozómů je mikrotubuly dělícího vřeténka připojen k opačnému centriolu (cytoskelet ).

3. ANAFÁZE

Nejrychlejší fáze z celé mitózy – anafáze. Chromozómy jednotlivých dvojic od sebe v místě centromér oddělí a začnou putovat k oběma pólům dělícího vřeténka. To je právě ten děj, při kterém se nově vzniklé chromozómy rovnoměrně rozdělí na dvě chromatidy do dvou nových jader.

4. TELOFÁZE

V závěrečné fázi se chromozómy shluknou na obou pólech dělícího vřeténka a vytvoří se normální jádro. Obnoví se jaderný obal i jadérko, chromozómy se natahují – despiralizují. Ještě než zanikne dělící vřeténko, začne se dělit buňka. Dělící vřeténko nakonec zanikne a obnoví se původní soustava mikrotubulů.

II.FÁZE Cytokineze –dělení celé buňky. Dělí se růstem buněčné přepážky od středu k obvodu. Uprostřed dělícího vřeténka se začne vytvářet tenká destička , která narůstá směrem k povrchu buňky. Materiálem pro tuto přepážku jsou sloučeniny cukrů (pektiny), které jsou dodány z Golgiho komplexu buňky. Jejich přesun v buňce je zřejmě usměrňován mikrotubuly dělícího vřeténka.