31/10/17. La parete cellulare. Perché le cellule delle piante hanno la parete cellulare?

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1 31/10/17 Rispetto alla cellula animale, le principali peculiarità della cellula vegetale sono: (a) un involucro rigido esterno al plasmalemma (parete), (b) specifiche connessioni intercellulari (plasmodesmi), (c) un apparato vacuolare di grandi dimensioni, (d) organelli detti plastidi, tra cui i cloroplasti, (e) un citoscheletro che mostra architettura e dinamica particolari (f) gliossisomi. La presenza della parete cellulare nelle piante impone che tutte le cellule siano interconnesse da ponti citoplasmatici: i plasmodesmi. Questi sono costituiti da un tubulo di reticolo endoplasmatico rivestito dal plasmalemma. Le dimensioni massime delle molecole che normalmente passano attraverso i plasmodesmi è circa 1000 Da, lo stesso che per le gap junctions degli animali. La parete cellulare E un rivestimento continuo, più o meno rigido, assemblato esternamente alla membrana cellulare utilizzando precursori prodotti dalla cellula. Una parete è presente in molte cellule sia di organismi procariotici che eucariotici: - Batteri (Gram + e Gram -) principale componente: peptidoglicano mureina - Molte alghe (Rodofite, Feofite, Clorofite) - principale componente: cellulosa - Funghi - principale componente: chitina - Piante - principale componente: cellulosa Batterio Fungo Perché le cellule delle piante hanno la parete cellulare? La principale funzione della parete cellulare è quella protettiva. La protezione cellulare è fondamentale nelle piante, perché esse dipendono da nutrienti presenti nell ambiente in forma dispersa (luce, CO2, ioni minerali) ed hanno perciò l esigenza di stabilire un ampia superficie di contatto con l esterno. Gli animali sono eterotrofi, dipendono da nutrienti presenti in forma concentrata (materiale organico) e la maggior parte delle loro cellule non è a contatto con l esterno ma con un ambiente interno molto stabile e controllato. Cuticola: strato idrofobico costituito di molecole lipidiche (cutina, suberina (nel sughero) e cere) per la riduzione di perdita di acqua. 1

2 Funzioni della parete cellulare: 1) protezione 2) sostegno (scheletro) 3) trasporto Parete cellulare delle piante ha tre componenti fondamentali: (1) cellulosa componente fibrillare - (associata con emicellulose), (2) polisaccaridi pectici, o pectine, (3) proteine strutturali. Sono presenti anche numerosi enzimi, che rendono la parete una parte altamente dinamica e reattiva della cellula vegetale. La cellulosa, un fondamentale componente della parete cellulare della cellula vegetale è un omopolisaccaride costituito da glucosio La cellulosa Singola catena di cellulosa (poli- β-1-4-glucano) e catene associate tramite legami idrogeno in una microfibrilla. Grado di polimerizzazione: da 2000 a unità di glucosio. Nelle piante una microfibrilla consiste mediamente di 36 molecole di cellulosa. Le pectine sono polisaccaridi eterogenei acidi o neutri (costituiti da zuccheri diversi, il più comune acido galatturonico). In presenza di ioni calcio, le pectine formano gel compatti e fortemente adesivi. Le pectine Nella frutta sono abbondanti nelle pareti cellulari e, durante la maturazione, vengono idrolizzate da enzimi come le pectinasi. ACIDO GALATTURONICO 2

3 31/10/17 Le emicellulose sono polisaccaridi ramificati di matrice che interagiscono con la cellulosa mediante legami idrogeno. Le emicellulose costituiscono circa il 40-45% delle pareti cellulari primarie. I diversi componenti della parete sono assemblati in una struttura composita costituita dalla parte fibrillare (cellulosa) e da una matrice (pectine). Le emicellulose, costituite da differenti monosaccaridi e a struttura non fibrillare ma ramificata, stabiliscono la connessione fra fibrille di cellulosa e matrice. Modello di parete nelle angiosperme dicotiledoni Dettaglio della parete di cellula vegetale La parete durante lo sviluppo cellulare La parete nelle giovani cellule in divisione è sottile ed estensibile durante la crescita che accompagna il differenziamento cellulare. Il suo spessore resta però invariato perché la cellula continua a deporre nuovo materiale di parete durante l espansione. La parete formata nel corso della fase di espansione cellulare è detta PARETE PRIMARIA, comprende un sottile strato centrale, LAMELLA MEDIANA la quale ricca di pectine funge da collante fra le cellule. 3

4 Parete secondaria Una volta raggiunte le dimensioni definitive, la cellula completa il proprio differenziamento e inizia a funzionare come cellula adulta. La maggior parte delle cellule del corpo della pianta possiede solo una parete primaria. Alcuni tipi cellulari, però, completano il differenziamento deponendo una parete secondaria all interno della parete primaria. Si tratta in particolare di cellule specializzate nella funzione di sostegno e conduzione. Queste cellule spesso dopo aver depositato la parete secondaria muoiono. Lamella mediana Parete secondaria PLASTIDI I plastidi sono organuli tipici delle piante, delimitati da due membrane e contenenti DNA. Internamente ai plastidi si differenziano sistemi di membrane. Oltre ai cloroplasti le piante possiedono plastidi non fotosintetici, localizzati in tessuti e organi specifici. Sono presenti cloroplasti anche nei protisti fotosintetici (alghe). I plastidi maturi sono classificati in base ai pigmenti o altre molecole presenti: -CLOROPLASTI -CROMOPLASTI -LEUCOPLASTI PLASTIDI 4

5 I plastidi derivano sempre da plastidi preesistenti. Nelle piante le giovani cellule degli apici meristematici contengono piccoli plastidi immaturi, detti proplastidi. I proplastidi si differenziano in cloroplasti, amiloplasti o cromoplasti o altri tipi di plastidi specializzati. I proplastidi possono contenere numerose copie (50-150) del genoma plastidiale. I proplastidi si dividono e il numero di copie del genoma per plastidio tende a diminuire durante il differenziamento Nel corso dello sviluppo della pianta sono frequenti interconversioni di un tipo plastidiale in un altro. Per esempio, la buccia verde dei frutti assume diverse colorazioni nel corso della maturazione a causa della conversione dei cloroplasti in cromoplasti. L inverdimento dei tuberi della specie Solanum tuberosum, causato dall esposizione alla luce, riflette la conversione degli amiloplasti in cloroplasti. In generale, i cromoplasti rappresentano una forma senescente di plastidio, non più convertibile. cloroplasto amiloplasto cromoplasto PLASTIDI PLASTIDI proplastidio I plastidi contengono DNA circolare di tipo procariotico ( Kb nelle piante). Questo DNA contiene alcune decine di geni che codificano per RNA ribosomiale e per alcune proteine plastidiali, tra cui la subunità maggiore della Rubisco. La maggior parte delle proteine plastidiali, però, è codificata da geni nucleari. Il cloroplasto (e gli organelli simili) probabilmente deriva da un cianobatterio simbionte acquisito per fagocitosi dal progenitore unicellulare delle alghe verdi (da cui le piante derivano). L acquisizione del cloroplasto è avvenuta dopo che, attraverso un processo simile, erano stati acquisiti i mitocondri (endosimbiosi). Origine dei cloroplasti: teoria endosimbiontica Eucariote fagotrofo anaerobio Batteri aerobi, diventano mitocondri, presenti in (quasi) tutti gli eucarioti oggi viventi Cianobatteri, diventano cloroplasti, presenti negli eucarioti fotosintetici insieme ai mitocondri PLASTIDI TEORIA ENDOSIMBIONTICA Genoma di cloroplasti e mitocondri Mitocondri e cloroplasti posseggono un proprio DNA e propri ribosomi per cui sono in grado di sintetizzare i vari tipi di RNA e di conseguenza, anche se un numero molto ridotto, di proteine. Esistono inibitori specifici delle due sintesi proteiche. Quella citosolica è inibita dalla cicloeximide mentre la sintesi proteica degli organuli no. La sintesi proteica dei mitocondri e dei cloroplasti è inibita da cloroamfenicolo, tetraciclina ed eritromicina, mentre quella citosolica non lo è. Una caratteristica importante del genoma dei cloroplasti e dei mitocondri è che esso è costituito da DNA circolare (che nei mitocondri di cellule vegetali è molto più grande rispetto a quello dei mitocondri di cellule animali perché contiene molti introni). PLASTIDI TEORIA ENDOSIMBIONTICA PLASTIDI TEORIA ENDOSIMBIONTICA 5

6 Genoma dei cloroplasti Il doppio strato lipidico ha composizione asimmetrica che differisce a seconda del tipo di membrana Il genoma dei cloroplasti è fortemente rassomigliante a quello dei batteri, esso contiene circa 120 geni che codificano proteine dei fotosistemi I e II, dell ATP-sintetasi e componenti di complessi multienzimatici. PLASTIDI TEORIA ENDOSIMBIONTICA PLASTIDI TEORIA ENDOSIMBIONTICA I cloroplasti nelle piante si trovano soprattutto nel tessuto fotosintetico (clorenchima) delle foglie e dei giovani fusti. Il cloroplasto contiene materiale trasparente, detto STROMA, e, immersi in questo, numerosi sacculi membranosi appiattiti, i TILACOIDI, la cui organizzazione spaziale è diversa nei vari gruppi di eucarioti fotosintetici. Nelle piante i tilacoidi sono disposti in pile, visibili anche al microscopio ottico e dette grani. La principale, ma non unica, funzione del cloroplasto è la fotosintesi, cioè la riduzione del biossido di carbonio a glucosio usando come fonte di energia la luce. nco 2 + nh 2 O (CH 2 O)n +n O 2 - CH 2 O solitamente n=6 e il monosaccaride che si forma è il glucosio La fotosintesi si articola in DUE FASI. La prima, detta FASE LUMINOSA, compie la conversione dell energia luminosa in energia chimica (sotto forma di ATP e NADPH). La fase luminosa ha sede nei tilacoidi e ad essa partecipano direttamente i pigmenti fotosintetici. Nella seconda fase, detta FASE OSCURA, l ATP e il NADPH sono usati per ridurre il biossido di carbonio a glucosio. La fase oscura è catalizzata da enzimi presenti nello stroma. PLASTIDI CLOROPLASTI PLASTIDI CLOROPLASTI Il glucosio prodotto per fotosintesi è accumulato nel cloroplasto sotto la forma, osmoticamente inattiva, di amido, secondo la reazione: n glucosio + n ATP (α-1-4 glucosio)n + n ADP + n P i L amido accumulato nel cloroplasto durante il giorno è detto amido primario. Amido primario AMILOPLASTI L amido primario, accumulato nel cloroplasto durante il giorno, viene riconvertito in zucchero solubile (saccarosio, disaccaride costituito da glucosio+fruttosio) durante la notte, trasportato nei tessuti di riserva (soprattutto fusto e radice) e qui ricondensato come amido negli amiloplasti (amido secondario). Gli amiloplasti sono plastidi privi di pigmenti fotosintetici, specializzati nell accumulo di amido. Sono abbondanti nei tessuti di riserva di fusto, radice, semi. Gli amiloplasti fanno parte dei plastidi non pigmentati detti genericamente leucoplasti. PLASTIDI CLOROPLASTI PLASTIDI AMILOPLASTI 6

7 31/10/17 L AMIDO ACCUMULO DI AMIDO Sezione trasversale di una giovane foglia colorata con il reattivo di Wagner (IodioIoduro di potassio) Cellule in coltura L amido è composto da due polimeri: l amilosio (che ne costituisce circa il 20%) e l'amilopectina (circa l'80%). In entrambi i casi si tratta di polimeri del glucosio, che si differenziano l'uno dall'altro per la struttura. L'amilosio è un polimero lineare che tende ad avvolgersi ad elica, in cui le unità di glucosio sono legate tra loro con legami glicosidici (1 4) (tra C1 di una unità e C4 dell'unità successiva). La doppia elica è stabilizzata da legami a idrogeno. L'amilopectina è un polimero ramificato che presenta catene di struttura simile all'amilosio che si dispongono a formare una struttura ramificata; ogni unità di glucosio, infatti, si innestano catene laterali attraverso legami (1 6). AMILOSIO E AMILOPECTINA Sezione di radice PLASTIDI AMILOPLASTI PLASTIDI AMILOPLASTI PLASTIDI AMILOPLASTI PLASTIDI CROMOPLASTI I Cromoplasti sono plastidi non fotosintetici che accumulano grandi quantità di carotenoidi gialli, arancione o rossi. I cromoplasti conferiscono uno di questi colori alle parti della pianta in cui si trovano (di solito fiori, foglie senescenti, radici e frutti). Possono svilupparsi dai cloroplasti verdi già esistenti mediante perdita delle membrane interne dei cloroplasti e di clorofilla e accumulo dei carotenoidi, come avviene durante la maturazione di molti frutti. CAROTENOIDI In natura sono presenti più di 500 diversi carotenoidi. Anche alcuni batteri e funghi sintetizzano carotenoidi. Tutte le molecole di carotenoidi sono molecole idrofobiche, presentano una lunga catena idrocarburica e ad entrambe le estremità un anello a 6 atomi di carbonio. In totale le molecole di carotenoidi hanno 40 atomi di carbonio. Esistono due classi di carotenoidi: CAROTENI E XANTOFILLE I CAROTENI sono costituiti solo da atomi di carbonio e idrogeno il più comune è il β-carotene. Petalo di ranuncolo Le XANTOFILLE hanno anche uno o più atomi di ossigeno una delle molecole più comuni è la luteina. PLASTIDI CROMOPLASTI 7

8 31/10/17 CAROTENOIDI CAROTENOIDI CONVERSIONE DI CLOROPLASTI IN CROMOPLASTI I CROMOPLASTI cellula dell'epidermide PLASTIDI CROMOPLASTI CONVERSIONE DI CLOROPLASTI IN CROMOPLASTI Durante il processo di maturazione dei frutti, contemporaneamente alla conversione di cloroplasti in cromoplasti, si ha in genere, il consumo di amido accumulato. GLIOSSISOMI Piccoli organuli delle cellule vegetali scoperti solo nel Si possono considerare perossisomi specializzati Presenti in particolar modo nei tessuti dove sono accumulati acidi grassi (semi). 8

9 GLIOSSISOMI GLIOSSISOMI - CICLO DEL GLIOSSILATO ORGANULI SPECIFICI D E L L E C E L L U L E VEGETALI IN CUI AVVIENE IL CICLO DEL GLIOSSILATO : QUI A V V I E N E P A R T E DEGRADAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI IN CARBOIDRATI. Assumono un ruolo chiave durante la germinazione dei semi, consentendo in questo modo di fornire glucosio quando la pianta non è ancora in grado di produrlo mediante la fotosintesi. Cosi si può formare la radice e il germoglio. Perché le cellule vegetali hanno grandi vacuoli? I vacuoli sono vescicole delimitate da membrana detta TONOPLASTO e ripiene di liquido acquoso detto SUCCO VACUOLARE. Le piante usano i vacuoli come un mezzo per aumentare le dimensioni cellulari e quindi accrescersi. La crescita per accumulo di acqua nelle cellule è un sistema molto economico per produrre un ampia superficie di contatto con l ambiente. I vacuoli sono molto piccoli nella fase giovanile e si accrescono nel corso del differenziamento cellulare. Le cellule vegetali sono di solito molto più grandi delle cellule degli animali. Ciò è dovuto soprattutto alla presenza dei vacuoli µm µm Un esempio: lo sviluppo del frutto di pesco a Cellule di frutto di Prunus persica fotografate allo stesso ingrandimento in momenti successivi dello sviluppo. Le divisioni cellulari si arrestano quando la giovane pesca ha le dimensioni di circa 1 cm 2 (a). Poi ad aumentare sono solo le dimensioni cellulari, soprattutto per l espansione del vacuolo. IL TURGORE CELLULARE La cellula delle piante, provvista di parete, assorbe acqua fino ad una condizione di equilibrio, detta TURGORE CELLULARE. acqua pura TURGORE CELLULARE 9

10 RUOLO di RISERVA di ACQUA: Fenomeno della PLASMOLISI Soluzione Esterna IPERTONICA Soluzione ISOTONICA La perdita d acqua per osmosi nella cellula vegetale è nota come PLASMOLISI. Durante la plasmolisi il plasmalemma si stacca dalla parete tirando con sé i plasmodesmi. TURGORE CELLULARE TURGORE CELLULARE Il vacuolo presente nelle cellule delle piante presenta sostanziali affinità con i lisosomi delle cellule animali. Il succo vacuolare è una soluzione di ioni e piccole molecole organiche ed ha un ph decisamente acido (ph 3 5). Il succo vacuolare, inoltre, contiene numerosi enzimi litici capaci di idrolizzare proteine, lipidi e acidi nucleici. Come in altre membrane biologiche, le proteine integrali presenti nel tonoplasto hanno una distribuzione asimmetrica, sporgendo più sul lato vacuolare (V) che su quello citoplasmatico (C). Tra le proteine integrali è compresa una pompa di protoni (H + -ATPasi). vacuolo (ph acido) citoplasma (ph neutro) parete Le pompe H + -ATPasi e H + -PPasi idrolizzano adenosina trifosfato (ATP) e pirofosfato inorganico (PPi) generando una forza protonica I vacuoli probabilmente hanno meccanismi di formazione diversi in diversi tipi cellulari. In molti casi essi appaiono derivare da piccoli rigonfiamenti locali di cisterne di reticolo endoplasmatico (provacuoli), che successivamente si espandono. I vacuoli sono perciò uno dei pochi organelli cellulari che possono essere prodotti de novo. per il trasporto di ioni e metaboliti attraverso il tonoplasto. 10

11 31/10/17 Il vacuolo, oltre ad accumulare l acqua in eccesso, può funzionare come sito di accumulo Probabilmente nella stessa cellula possono essere presenti tipi diversi di vacuolo. Questo è stato dimostrato in cellule di semi, nelle quali si osservano grossi vacuoli pieni di materiale proteico (V1) e numerosi piccoli vacuoli con un contenuto acido (V2). di sostanze di riserva (corpi proteici nei semi) o sostanze di rifiuto (es. cristalli di ossalato di calcio). Il vacuolo può anche partecipare alla difesa della pianta nei confronti di predatori erbivori accumulando sostanze tossiche: METABOLITI SECONDARI. Fra queste si annoverano numerosi glicosidi MICROTUBULI E MICROFILAMENTI DI ACTINA - architettura e dinamica molto particolari. MICROFILAMENTI DI ACTINA 1- L interazione actina e miosina responsabile del movimento del citoplasma - CICLOSI CITOPLASMATICHE- o di organelli come i cloroplasti per posizionarli in funzione della intensità luminosa. 2- controllo della migrazione delle vescicole di esocitosi, processo importante per la crescita apicale. MICROTUBULI 1- si irradiano dal nucleo formando citoscheletro corticale 2- esistono numerosi MTOC, associati all involucro nucleare e forse al plasmalemma 3- in interfase : CITOSCHELETRO CORTICALE orienta le microfibrille di cellulosa della parete in espansione. Inizio mitosi: Citoscheletro corticale sostituito da BANDA PREPROFASICA nella regione dove si formerà il setto di divisione tra le due cellule figlie. 4- mitosi: FUSO MITOTICO ANASTRALE (per assenza di centrioli). Il fuso mitotico controlla la ripartizione dei cromatidi nei due nuclei. 5- telofase: FRAGMOPLASTO in posizione centrale fra i due nuclei; controlla la formazione del setto di divisione (nuova parete cellulare). CITOSCHELETRO VEGETALE Come negli animali e negli altri eucarioti, le cellule delle piante contengono un citoscheletro di tubulina e di actina. L architettura e la dinamica del citoscheletro nelle piante sono però molto particolari. Nelle cellule vegetali pienamente differenziate il citoplasma contiene un reticolo di microfilamenti di actina, in parte legati al plasmalemma, mentre sulla superficie degli organelli citoplasmatici è presente una specifica forma di miosina. L interazione ATP-dipendente tra actina e miosina è responsabile del movimento del citoplasma (ciclosi citoplasmatiche) o di specifici organelli (per es. i cloroplasti). Microfilamento di actina plasmalemma 11

12 31/10/17 Le ciclosi citoplasmatiche sono regolarmente presenti nelle cellule delle piante: esse servono a rimescolare il citoplasma e facilitare la diffusione dei soluti. Il citoscheletro actina-miosina è coinvolto anche nel controllo della posizione di alcuni tipi di organelli cellulari, in particolare i cloroplasti. Questo permette alla pianta di reagire a diverse intensità di illuminazione. Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo. I microfilamenti controllano anche la migrazione delle vescicole di esocitosi. Il loro ruolo è particolarmente importante nelle cellule a crescita apicale (tipgrowth), per esempio i peli radicali e i tubetti pollinici. Distibuzione dei cloroplasti nelle cellule della foglia di Arabidopsis a bassa (sinistra) o alta (destra) intensità luminosa. Se la luce è molto intensa i cloroplasti si dispongono in modo da coprirsi l un l altro e proteggersi dal rischio di danni fotochimici. Il citoscheletro microtubulare delle piante presenta una struttura e una dinamica altamente distintive rispetto agli animali. Nella cellula animale in interfase il citoscheletro microtubulare si irradia da una coppia di centrioli situata vicino al nucleo (A). Nelle cellule delle piante in interfase i microtubuli si irradiano dal nucleo in più punti e si dispongono a ridosso del plasmalemma, formando citoscheletro corticale (B). I microtubuli nella cellula animale si formano a partire da un centro organizzatore dei microtubuli (MTOC) che è associato ai centrioli. Nelle cellule delle piante si ritiene che esistano numerosi MTOC, associati all involucro nucleare e forse al plasmalemma Nelle varie fasi del ciclo cellulare della cellula delle piante sono attivi diversi sistemi di citoscheletro microtubulare. In interfase è presente un citoscheletro corticale di microtubuli associati al plasmalemma, il cui orientamento influenza quello delle microfibrille di cellulosa che vengono deposte nella parete in espansione. All inizio della mitosi (fase G2) questo sistema scompare ed è sostituito da una banda compatta di microtubuli (banda preprofasica) la cui posizione individua il piano nel quale si formerà il setto di divisione (detto anche piastra cellulare) tra le due cellule figlie. Citoscheletro corticale B A Banda preprofasica Citoscheletro corticale Nel corso della mitosi compare il fuso mitotico anastrale (nelle piante non sono presenti centrioli). Come negli animali, questo complesso citoscheletrico controlla la ripartizione dei cromatidi fratelli nei due nuclei. In telofase compare un quarto sistema di microtubuli, il fragmoplasto, che si forma prima in posizione centrale fra i due nuclei e poi si espande verso la periferia. Il fragmoplasto controlla la formazione del setto di divisione (nuova parete cellulare). La citodieresi avviene per strozzamento centrale ad opera di un anello corticale di acto-miosina nelle cellule animali, mentre coinvolge il fragmoplasto nelle cellule delle piante Setto di divisione Setto di divisione 12

13 Una volta completato il setto, il fragmoplasto scompare e ricompare il citoscheletro corticale, che persiste per tutta l interfase. 13