7 Transport Ionen, Wasser, Assimilate, Membrantransport ok PDF

Preview

Summary

Download 7 Transport Ionen, Wasser, Assimilate, Membrantransport ok PDF

Description

Inhaltsverzeichnis 1

2

Aufbau einer Biomembran......................................................................................................................................3 1.1

Membranproteine und ihre Funktion..............................................................................................................3

1.2

Transportproteine............................................................................................................................................ 4

1.3

Transportmechanismen...................................................................................................................................4

Mineralstoffhaushalt / Ionentransport....................................................................................................................5 2.1

Makro- und Mikronährstoffe...........................................................................................................................5

2.2

Aufnahme dieser Stoffe...................................................................................................................................5

2.3

Mangelerscheinungen & das Gesetz des begrenzenden Faktors = Minimumgesetz........................................6

2.3.1 2.4 3

4

Passive und aktive Ionenaufnahme.................................................................................................................7

Stofftransport allgemein..........................................................................................................................................9 3.1

Stofftransport erfolgt bei Pflanzen auf 3 Ebenen.............................................................................................9

3.2

Formen des Mittelstreckentransports.............................................................................................................9

Membrantransportmechanismen: Überblick........................................................................................................10 4.1

Membranverlagernder Transport: Endo-, Exo- und Transcytose....................................................................12

4.2

Transmembrantransport................................................................................................................................12

4.2.1

einfache Diffusion..................................................................................................................................12

4.2.2

passiver Transport durch Kanalproteine und Carrier sowie Symport.....................................................12

4.2.3

aktiver Transport: primär und sekundär................................................................................................12

4.3 5

Vergleich Symporter und ABC-Transporter....................................................................................................14

Xylem / Phloem - Transport in Pflanzen nach Grundtypen der Pflanzenzelle........................................................15 5.1

Das Xylem und seine wasserleitenden Zellen................................................................................................16

5.1.1 5.2

6

Nährstoffarmut und Adaption daran.......................................................................................................6

Treibende Kräfte des Xylemtransports:..................................................................................................17

Das Phloem und seine assimillatleitenden Zellen..........................................................................................18

5.2.1

Funktion und Antriebskraft des Phloems...............................................................................................18

5.2.2

Aufbau des Phloems..............................................................................................................................19

5.2.3

Beladung des Phloems: apo- und symplastisch.....................................................................................20

5.2.4

Transport im Phloem mit Modellversuch...............................................................................................21

5.2.5

Entladung des Phloems..........................................................................................................................22

5.3

Phloem kurz & bündig...................................................................................................................................23

5.4

Vergleich Xylem- und Phloemtransport.........................................................................................................25

5.5

Vergleich Xylem- und Phloemanatomie.........................................................................................................26

Wasserhaushalt.....................................................................................................................................................27 6.1

Transportmechanismen für Wasser...............................................................................................................27

6.2

Wasseraufnahme der Pflanze........................................................................................................................27

6.2.1

Ort der Wasseraufnahme: eigentlich Wurzel aber je nach Pflanzentyp…..............................................28

6.2.2

Mechanismus der Wasseraufnahme: durch Diffusionsvorgänge: Osmose, Quellung............................28

6.2.3

Prozess der Wasser/Ionenaufnahme durch die Wurzel:........................................................................30

6.3

Wasserabgabe der Pflanze: Transpiration & Guttation..................................................................................32

6.4

Zellulärer Wasserhaushalt: die Osmose.........................................................................................................33

6.5

Leitung des Wassers durch Massenströmung: Transpirationssog bzw. TKS-Mechanismus............................34

7

Schubladen............................................................................................................................................................36 Beladung des Phloems (bei Dikotyledonen/Angiospermen).....................................................................................39 Transport im Phloem.................................................................................................................................................39 Entladung des Phloems.............................................................................................................................................40 1.1 Ort und Prozess der Wasseraufnahme: eigentlich Wurzel aber je nach Pflanzentyp…Wurzelhaare sind die Orte der Wasser- und Ionenaufnahme......................................................................................................................42 1.2

2.

3.

Mechanismus der Wasseraufnahme: durch Diffusionsvorgänge: Osmose, Quellung....................................43

Wasserabgabe der Pflanze.....................................................................................................................................43 a.

Transpiration: 90% stomatär und 10% cuticulär................................................................................................43

b.

Guttation...........................................................................................................................................................43 Leitung des Wassers durch Massenströmung: Transpirationssog bzw. TKS-Mechanismus....................................44

Aufbau einer Biomembran

1

 Flüssig-Mosaik-Modell: Membranproteine einzeln in Phospholipiddoppelschicht eingebettet



1.1

o

hydrophilen Bereiche ragen aus Membranebene heraus

o

nicht hydrophoben Teile befinden sich in wässriger Phase

Aufbau o

aus membranogenen Lipiden: Phospholipide mit Phosphatrest Glycolipide mit Zuckerrest

o

Membranproteine (Kanäle, Rezeptoren)

o

Lipid Rafts: Domänen in Membran mit hohem Cholesterinanteil

Membranproteine und ihre Funktion

 zwei Sorten a) integrale Membranproteine: Transmembranproteine b) periphere  Funktionen der Membranproteine:

liegen lose auf Membranoberfläche

1.2

Transportproteine

Zellmembranen für bestimmte Ionen und polare Molekül semipermeabel  umgehen der hydrophoben Lipidphase durch Transportproteine



Kanalproteine

bilden hydrophilen Kanal (=Pore) und hierzu Aquaporine



Carrier

Transport durch Konformationsänderung Transportprotein spezifisch für transportiertes Molekül  z.B. Transport von Glucose

Zwei Möglichkeiten des Transports: a) passiver Transport (Diffusion): entlang eines Konzentrationsgradienten b) aktiver Transport: gegen einen Konzentrationsgradienten unter ATP-Verbrauch

1.3

Transportmechanismen

Membrantransportmechanismen

2

Mineralstoffhaushalt / Ionentransport

2.1

Makro- und Mikronährstoffe

Pflanzen benötigen 9 Makronährstoffe: Nährelemente und in großen Mengen: und mindestens 8 Mikronähstoffe: Spurenelemente:

S P O C K Ca H N Mg Fe, Cl, Ni, Mo, Cu, Zn, Mn, B

Makronährstof f S P O

Aufnahme als

Funktion

gelöst als Ion gelöst als Ion (g), H2O

für AS, Proteinen, Coenzymen für ATP, Enzyme, Membranen HBT pflanzeneigener organ. Verbd.

C K

(g) gelöst als Ion

Ca H N

gelöst als Ion H2O (g) mit Bakterien gelöst als Ion gelöst als Ion

HBT pflanzeneigener organ. Verbd. Cofaktor bei Proteinsynthese und 40 Enzyme, Regulation der Stomatabewegung und Wasserhaushalt Regulation der Enzymaktivität, Signalüberträger HBT pflanzeneigener organ. Verbd. B von AS, Proteinen, Coenzymen,

Mg

Cofaktor von Enyzmen (Rubisco), Chlorophyll

verfügbar als SO42H2PO4O2, CO2, H2O CO2 K+ Ca 2+ H2O NO3- , NH4+ Mg 2+

HBT: Hauptbestandteil

2.2

Aufnahme dieser Stoffe

Aufnahme der Nährstoffe:   

als Gase: nur C und O, gasförmiger N m.H. stickstofffixierender Bakterien als Wasser: H und O in gelöster Form als Ionen: alle anderen, einschließlich N

Mikronährstof f Eisen Bor Chlor Mangan Zink Kupfer Molybdän Nickel

Aufnahme als

Funktion

gelöst als Ion gelöst als Ion gelöst als Ion gelöst als Ion gelöst als Ion gelöst als Ion gelöst als Ion gelöst als Ion

Cytochrom Cofaktor bei Chlorophyllsynthese Regulation Wasserhaushalt aktiviert Enzyme Cofaktor Enzyme B von e- übertragenden Enzymen für Enzyme Cofaktor Enzyme

verfügbar als Fe2+, 3+ H2BO32ClMn2+ Zn2+ Cu2+/+ H2O Ni2+

2.3

Mangelerscheinungen & das Gesetz des begrenzenden Faktors = Minimumgesetz

Minimumgesetz/Ertragsgesetz: das besagt, daß der jeweils in relativ geringster Menge vorhandene Wachstumsfaktor (Minimumfaktor) den Ertrag begrenzt, oder anders ausgedrückt: die Steigerung des Minimumfaktors erhöht den Ertrag am meisten.  wichtig: ausreichende Mende und ausgewogenes Verhältnis Mangelsymptome    

Wachstum eingeschränkt (Zwergwuchs) Anwurf älterer Blätter, Vergilbung oder Nekrose der Blätter sowie Ausbleichen durch mangelnde Chlorophyllbildung (Chlorosen bei Mg, Fe -oder B-Mangel) Gestörte Blütenbildung Absterben von Pflanzenteilen

2.3.1 Nährstoffarmut und Adaption daran Oligotrophe Habitate: allgemeiner Nährstoffmangel bestimmt als dominierender Faktor Pflanzenwachstum und Formenspektrum Ursachen: 

primär mineralstoffarme Substrate (z.B. Sande, Torf, epiphytische Standorte)



degradierte Böden



kalte Böden der Tundren und Hochgebirge mit langsamer Nährstoffrückführung o

Versauerung, Vernässung

Adaptionen an Nährstoffarmut 

Absorptionseffizienz (z. B. starkes Wurzelwachstum)



Mobilisierungseffizienz (z. B. Ausscheidung von Säuren oder Chelatbildnern)



Langlebigkeit immergrüner Blätter vermeidet Verluste durch jährlichen Blattabwurf



Kleinwuchs

Ionenaufnahme aus Boden in Wurzel bzw. über Membranen: entweder passiv durch Diffusion oder durch aktiven Transport es geht hier eigentlich um Membrantransportmechanismen   

i.d.R. über Wurzel aus der Bodenlösung (bei Wasser- aber auch Landpflanzen über die ganze Pflanze) durch Ionenaustausch in der Rhizosphäre Aufnahme erfolgt passiv und/oder aktiv

Z: Die Mineralsalze werden durch die Wurzel aus dem Boden als freie Ionen oder durch Austauschadsorption aufgenommen. Die Ionenaufnahme erfolgt weitestgehend selektiv, und zwar auch gegen das Konzentrationsgefälle. Sie beginnt mit dem Einstrom der Ionen in den freien Raum, aus dem sie auch wieder nach außen diffundieren kann. Die Aufnahme in den inneren Raum ist ein aktiver Transport mit Hilfe von Carriern. Der Ionentransport durch das Rindengewebe erfolgt apoplastisch mit dem Wassereinstrom bzw. nach der Aufnahme in den inneren Raum symplastisch.

2.4

Passive und aktive Ionenaufnahme

passive Ionenaufnahme: passive Phase anhand freier Diffusion Passive Phase beginnt mit passivem Einstrom der Ionen mit dem Wasser in den „freien Raum“ dem sogenannten Apoplasten der Rhizodermis (Wurzel) und diffundieren frei bis zum Casparystreifen der Endodermis (Kontrollzentrum der Ionenaufnahme, selektive Schranke zwischen Wurzelrinde und Leitgewebe)  Aufnahme in den freien Raum geschieht ohne Energieverbrauch und ist nicht selektiv aktive Ionenaufnahme: aktive Aufnahme: Übergang der Ionen aus dem freien Raum in den inneren Raum eigentliche Ionenaufnahme , d.h. Übergang aus freien Raum (Apoplast) in den inneren Raum (Symplast) beginnt mit Adsorption der Ionen an die Bindungsstellen bestimmter Translokatoren (Carrier), die im Plasmalemma lokalisiert sind. Aufnahme in inneren Raum erfolgt spätestens an der Endodermis; wenn sie schon im Rindengewebe stattgefunden hat so erfolgt der Transport in den Zentralzylinder von Zelle zu Zelle im Symplasten über Plasmodesmen. Übergang der Ionen von Xylemparenchymzellen in angrenzende Gefäße wahrscheinlich über Wurzeldruck via aktivem Transport. Translokatoren: transmembrane Proteine die Ionen gegen einen elektrochemischen Gradienten unter Energieverbrauch transportieren: aktiver Transport! o o

primär aktiver Membrantransport  Transport durch ATP-getriebene Ionenpumpen (ATPasen): v.a. H+-ATPase sekundär-aktiver Membrantransport  angetrieben von pH-Gradient bzw. neg. Membranpotenzial  Nutzung der protonenmotorischen Kraf  Unterscheidung von .. sowohl bei passiv als auch bei aktivem Transport  Uniport  Symport Cl--H+-Symport  Antiport Na+-H+-Antiport

Membrantransportmechanismen Die Biomembran besteht aus Lipiden und Proteinen und ist aus einer bimolekularen Phospholipidschicht aufgebaut. Ein Phospholipid besteht aus einem Alkohl, meistens dem Glycerin, dass mit einer oder mehreren Carbonsäuren verestert ist. Es handelt sich dabei also um eine amphiphile Struktur mit einem hydrophilen (Glycerin und Esterbindungen) sowie einem hydrophoben (Carbonsäureketten) Teil. Der hydrophile Kopf wird durch Ladungen zusammengehalten, der hydrophobe Schwanz durch Van-der-Waals-Kräfte. Die Lipiddoppelschicht ist von integralen Proteinen, die eine Transportfunktion haben, quer durchsetzt und besitzt zudem noch auf der Membranoberfläche locker gebundene periphere Proteine, die als Rezeptor dienen. Die Biomembran hat verschiedene Funktionen. Zum einen wird das Cytoplasma dadurch nach außen hin abgegrenzt. Noch dazu dienen sie der Kompartimentierung der Zelle, wodurch verschieden Reaktions- und Speicherräume, wie z.B. die Vakuole, vorhanden sind. Sie sind auch Träger von Enzymen und Redoxystemen, die nötig für die in den Kompartimenten ablaufenden Reaktionen sind. Zu weiteren Aufgaben der Biomembran zählen Signalaufnahme und Signalleitung, sowie Informationsspeicherung und Energiekonservierung. Die Biomembran ist für die meisten Moleküle semipermeabel. Kleine lipophile Teilchen können gemäß dem Konzentrationsgefälle frei diffundieren (passiver Transport), für größere Teilchen, wie Ionen oder Zuckermoleküle, findet aktiver Transport über bestimmte Transportproteine statt.

Durchtritt von Ionen und organischen Molekülen durch eine Biomembran erfolgt entweder passiv durch Diffusion oder durch aktiven Transport. kleine Moleküle wie Wasser oder Gase passieren durch freie Diffusion dank kurzlebiger Störstellen infolge thermischer Bewegung der Lipidmoleküle im halbflüssigen Lipoidfilm  alle größeren Moleküle, da hydrophil, benötigen zum Passieren der Lipiddoppelschicht bzw. Biomembran integrale Transportproteine via passiven und aktiven Transport o Kanäle (cat. Permeation) erleichterte Diffusion = passiver Transport o Translokatoren (Carrier) passiver und aktiver Transport o Protonenpumpen wie ATPasen aktiver Transport  Transport beginnt mit Bindung des Substrats an spezif. Bindungsstelle an äußerer/innerer Membran und durch Konformationsänderung des Transportproteins gelangt das Substrat nach innen/außen wo es dann freigesetzt wird 

3 3.1

Stofftransport allgemein Stofftransport erfolgt bei Pflanzen auf 3 Ebenen

auf Ebene Transport

Transportrichtung

Transportmechanismus bzw. Antriebskraf Beispiele für Mittelstreckent ransport

Kurzstreckentransport einzelner Zellen von Wasser und Ionen (Diffusionvorgänge)

intrazell. Transport zw. Zellkompartimenten über Membranen passiv durch Diffusion oder aktiv über Pumpen oder Chemiosmose

Mittelstreckentransport von Zelle zu Zelle, d.h. innerhalb Gewebe von Wasser und gelösten Substanzen

Lateraltransport symplastisch, apoplastisch oder Mischform angetrieben durch Diffusionsgradienten & Druckunterschiede

Langstreckentransport an Leitungsbahnen gebunden von Wasser und gelösten Salzen im Xylem (Holz) in eine Richtung von Assimilaten im Phloem (Bast) in alle Richtungen Vertikaltransport

Massenstrom, angetrieben von Druckgradienten

lateraler Transport von Wasser & Ionen von Wurzelhaaren bis in den Zentralzylinder Wasserverschiebung von Xylemgefäßen der Blätter über Mesophyllzellen in Interzellularraum Transport von Assimilaten aus Mesophyllzellen in Geleit- bzw. Transferzellen des Phloems

3.2

Formen des Mittelstreckentransports

symplastischer Transport

apoplastischer Transport

Mischform, am häufigsten

nur im Symplasten, d.h. durch alle über Plasmodesmen verbundenen Zellen (keine Durchquerung von Plasmamembranen) nur im Apoplasten, d.h. durch Zellwände, Interzellularen und Zellräume ohne lebenden Protoplasten (außerhalb von Plasmame...