Appunti Secondo parziale: Produzioni animali e vegetali

Appunti secondo parziale produzioni animali e vegetali

Prof. Silvia Morgutti e Alberto Tamburini

Secondo parziale: produzioni vegetali

I mitocondri

I mitocondri: organelli delle cellule eucariotiche racchiusi in una doppia unità di membrana:

• Membrana esterna liscia, poco selettiva nei confronti dei soluti con PM ≤10000 Da: è coinvolta nella traslocazione nell’organello di proteine mitocondriali sintetizzate nel citoplasma ed in alcune attività enzimatiche. È molto permeabile alle piccole molecole.
• Membrana interna che si sviluppa in creste che aumentano moltissimo la sua superficie. La MI è sede delle reazioni ossidoriduttive, del trasporto di H⁺ e della sintesi di ATP tipiche della respirazione cellulare. Per poter svolgere queste funzioni la membrana interna deve essere molto selettiva nei confronti delle sostanze trasportate, e particolarmente degli H⁺.
• Spazio intermembrana il cui pH risulta assai inferiore a quello della matrice, importante per meccanismi di produzione di ATP. È uno spazio acquoso che separa la membrana interna e quella esterna.
• Matrice contenente: DNA di tipo batterico, circolare, senza istoni associati, enzimi e substrati del ciclo di Krebs e di altre vie metaboliche, ioni Ca²⁺.
• Ribosomi (70 S, di tipo batterico) per sintesi proteica.

Il mitocondrio è sede della respirazione cellulare: è quindi fondamentale per il metabolismo energetico della cellula: cellule con forte richiesta energetica sono particolarmente ricche di mitocondri. Infatti la degradazione del glucosio è circa 20 volte più redditizia, in termini di recupero di energia, se questo è degradato nella respirazione piuttosto che solo nella glicolisi.

Il mitocondrio ha una parziale autonomia, possiedono DNA che codifica gli rRNA, i tRNA e alcune proteine e si riproduce per scissione, modalità di riproduzione cellulare tipica dei procarioti, infatti i mitocondri si sono originati dalla simbiosi dei procarioti. Poiché i mitocondri sono nel citoplasma della cellula eucariotica, al momento della fecondazione della cellula uovo da parte di uno spermatozoo, il citoplasma dello zigote che si forma sarà fornito della cellula uovo quindi nello zigote i mitocondri sono di origine materna.

Plastidi non differenziati: proplastidi

I plastidi sono organelli della cellula vegetale, i quali si differenziano in base al colore in cloroplasti (verdi), cromoplasti (giallo, arancio, rosso) e leucoplasti (incolori). Sono costituiti da due membrane, una interna e una esterna, separate dallo spazio intermembrana. Essi possiedono ribosomi 70 S e nucleoidi, ovvero regioni in cui sono localizzati filamenti di DNA procariotico, e sono in grado di duplicarsi per scissione binaria. Tutti i plastidi si formano a partire da plastidi non differenziati, i proplastidi, presenti nei tessuti embrionali.

I proplastidi possono differenziarsi in:

• Cloroplasti (verdi): funzione fotosintetica.
• Cromoplasti (giallo, arancione, rosso): funzione vessillifera, richiamo degli insetti impollinatori, ovvero segnalano.
• Amiloplasti (incolori, contengono amido secondario): funzione di riserva.
• Ezioplasti (al buio; sono tipici delle verdure coltivate in assenza di luce come sedano e insalata belga).

I cloroplasti

I cloroplasti sono di colore verde e i pigmenti in essi contenuti sono clorofille e carotenoidi; hanno generalmente forma lenticolare, ma talvolta assumono forme diverse, come i cloroplasti giganti spiraliformi.

Ultrastruttura del cloroplasto

L’ultrastruttura del cloroplasto assomiglia a quella del mitocondrio. Al ME:

• Membrana esterna (relativamente permeabile).
• Membrana interna (selettiva) che si introflette a formare il sistema delle membrane fotosintetiche (tilacoidi) che si impilano a dare i grana (che captano la luce). Le membrane tilacoidi delimitano una cavità, il lume dei tilacoidi.
• Fase fluida (stroma) assimilabile alla matrice del mitocondrio, con enzimi e substrati delle vie di biosintesi di composti organici: zuccheri, AA e lipidi.

Funzioni del cloroplasto

Il cloroplasto è l’organello in cui avviene la fotosintesi, ovvero è presente in tutti gli organismi autotrofi eucariotici (= sintesi di sostanza organica dipendente dalla luce). Sulle membrane tilacoidi, grazie alla presenza dei pigmenti fotosintetici avvengono le reazioni della fase luminosa della fotosintesi: il cloroplasto converte l’energia elettromagnetica, una grandezza fisica, della luce in forme di energia chimica: ATP, NADPH + H⁺.

Questo grazie all’azione dei pigmenti fotosintetici (clorofilla e carotenoidi) ed al contributo di trasportatori di elettroni di natura lipidica (cfr. Lipidi). ATP e NADPH + H⁺ saranno utilizzati nello stroma per l’assimilazione (= organicazione) di C (sintesi di zuccheri), N (sintesi di AA, basi azotate), S (AA solforilati, solfolipidi).

Il decremento del contenuto di clorofilla è un indice della senescenza dei tessuti verdi: verdure a foglia.

Anche i plastidi, come i mitocondri, si moltiplicano per scissione da plastidi pre-esistenti.

Similitudini tra cloroplasto e mitocondrio

Esistono forti similitudini tra cloroplasto e mitocondrio:

• Dal punto di vista biochimico: sedi di metabolismo energetico (respirazione, fotosintesi).
• Dal punto di vista ultrastrutturale: due membrane, esterna ed interna.
• DNA (di tipo procariotico).
• Ribosomi (di tipo procariotico, 70 S).

Modello endosimbiontico (Margulis 1967)

Nel caso di mitocondri e cloroplasti si ritiene che l’evento evolutivo ancestrale sia consistito nella fagocitosi (= endocitosi) da parte di cellule procariotiche più grandi di cellule procariotiche più piccole, dotate di metabolismo respiratorio (mitocondri) o fotosintetico (cloroplasti), e successiva stabilizzazione in simbiosi.

La teoria della Margulis offre una buona spiegazione della formazione dei mitocondri e dei plastidi, che hanno un DNA distinto da quello della cellula che li ospita. Tuttavia non chiarisce l'origine degli altri organelli cellulari, né la presenza della doppia membrana del nucleo, né l'assenza di forme cellulari intermedie dotate di alcuni ma non di tutti gli organelli delle cellule eucariote. Silvia Morgutti EBPP G29-07 UniMI (08 La cellula)

La teoria “inside out”

La teoria “inside out” (Baum and Baum BMC biology 2014, 12:76): gli eventi determinanti per la formazione della cellula eucariota sarebbero avvenuti esternamente ai “confini” della cellula ancestrale e non internamente.

La membrana dotata di protuberanze bollose di un archeobatterio ancestrale (A) potrebbe aver intrappolato batteri (C). Grazie all'energia acquisita dall’evento “simbiotico”, le protuberanze dell’archeobatterio ospite si potrebbero essere ingrandite (D).

La fusione di protuberanze fra loro vicine avrebbe poi generato la membrana plasmatica; dalle porzioni di membrana situate lateralmente alle protuberanze si sarebbe formato il reticolo endoplasmatico e da quelle situate internamente la membrana esterna del nucleo (E). La membrana esterna originale dell'archeobatterio sarebbe diventata la membrana nucleare interna (F).

Plastidi pigmentati: cromoplasti

Originano:

• Per differenziamento diretto da proplastidi (radice della carota, petali dei fiori).
• Per degenerazione dei cloroplasti (la degradazione della clorofilla lascia visibili solo i carotenoidi) durante la maturazione e senescenza degli organi che li contengono (maturazione dei frutti, invecchiamento delle foglie).

I cromoplasti sono di colore giallo, arancione o rosso per la presenza di pigmenti carotenoidi sotto forma di gocciole o cristalli. Sono presenti:

• Nei tessuti parenchimatici di radici (carota) e frutti (pesche, albicocche, melone, pomodoro, peperoni).
• Nei tessuti tegumentali (buccia) dei frutti.
• Nei petali dei fiori.

Plastidi non pigmentati (leucoplasti): amiloplasti

Plastidi privi di pigmenti e quindi incolori (leukòs, bianco). Gli amiloplasti accumulano granuli di amido secondario (che verrà utilizzato dal seme germinante o dalla pianta al momento della ripresa della crescita vegetativa e che rappresenta una riserva a lungo termine) e si trovano quindi nei tessuti adibiti ad accumulo di riserve di organi specializzati (cariosside dei cereali, tuberi di patata, radici a fittone di piante biennali).

La dimensione e la morfologia dei granuli di amido è diversa da specie a specie; la sua digeribilità è inversamente proporzionale alla dimensione dei granuli e alla percentuale di amilopectina.

Nei granuli di amido secondario sono normalmente visibili uno o più ILI (punti di inizio della deposizione dell’amido secondario) che li qualificano come granuli semplici o granuli composti. I granuli di amido secondario nativo sono morfologicamente diversi nelle diverse specie e ciò può avere interesse diagnostico.

In agricoltura, le parti commestibili di alcuni ortaggi vengono riparate dalla luce durante la crescita perché in questo modo si evita la formazione di molecole che conferiscono un gusto troppo acre o amaro.

Ezioplasti

Il colore verde non si sviluppa perché in assenza di luce non si ha sintesi di clorofilla né sviluppo dei cloroplasti. Si sviluppano invece ezioplasti, con una particolare ultrastruttura. Quando la pianta verrà esposta alla luce, l’ezioplasto si convertirà in cloroplasto.

Riassunto

La parete cellulare delle cellule vegetali

La parete è il compartimento esterno alla membrana plasmatica presente in tutte le cellule vegetali.

a) Le pareti cellulari danno sostegno alle cellule vegetali e ne determinano la forma.

b) La presenza della parete cellulare impedisce che la cellula vegetale subisca rotture causate dall’aumento di volume dovuto all’assorbimento di acqua da parte del vacuolo.

Le pareti cellulari delle piante non sono comunque strutture statiche, bensì dinamiche, sede di processi metabolici:

• Sintesi/degradazione di componenti di parete.
• Risposte agli stress.
• Riconoscimento di MO patogeni o simbionti: vi è la produzione di molecole segnale che segnalano la presenza di patogeni nella cellula.
• Controllo nella forma della cellula: dipende anche dall’espansione cellulare e anche dall’adesione tra le cellule.
• Deposito di sostanze di riserva: che verranno usate durante la germinazione del seme.

Proprietà chimico-fisiche

• Plasticità: dipende dalla componente pectica.
• Elasticità: legata alla componente fibrillare.

Plasticità ed elasticità dipendono dall’equilibrio tra componente pectica e cellulosica.

• Resistenza alla compressione e alla trazione: sono determinati dalla cellulosa e dalla lignina.
• Porosità: ovvero la dimensione dei pertugi attraverso cui le molecole sciolte in acqua possono muoversi attraverso le maglie dei polimeri parietali, dipende dalle pectine.
• Permeabilità all’acqua: nella parete secondaria l’acqua è spesso sostituita con la lignina che è idrofoba, per cui anche la porosità e la permeabilità dell’acqua sono più basse che nella parete primaria.
• Carica elettrica: è determinata dalla componente pectica, soprattutto dai residui carbossilici dell’acido galatturonico.

Le componenti della parete

La parete è costituita da una componente fibrillare cellulosica e da una componente matriciale polisaccaridica e proteica.

Tre componenti di parete:

1. Lamella mediana.
2. Parete primaria.
3. Parete secondaria.

Tutte le cellule vegetali presentano la lamella mediana e la parete primaria. Solo alcune cellule, che svolgono funzioni di trasporto e meccaniche, depongono al termine del loro differenziamento anche la parete secondaria.

L’ordine secondo il quale si formano queste componenti è:

1. Lamella mediana.
2. Parete primaria.
3. Parete secondaria.

Posizionamento di lamella mediana, parete primaria e parete secondaria

La lamella mediana è la prima che si forma, alla citodieresi (a partire dalla piastra cellulare), ed è in comune fra le due cellule figlie che si formano; la parete primaria e la parete secondaria vengono depositate in sequenza da ciascuna cellula. Quindi, man mano che queste strutture si formano, il lume cellulare si va restringendo progressivamente.

La lamella mediana

La lamella mediana è la porzione più esterna della parete, è formata da sostanze pectiche, depositate al momento della citodieresi da vescicole prodotte dall’apparato del Golgi il cui movimento fino al sito di deposizione è guidato dai microtubuli del fragmoplasto.

La cellulosa (ripasso!)

Omopolisaccaride formato da residui di β-glucosio uniti con legame β(1-4).

Le sostanze pectiche hanno proprietà adesive, quindi la lamella mediana tiene unite le due cellule figlie originate dalla mitosi.

Questo tipo di legame fa sì che i singoli monomeri di glucosio si orientino nella macromolecola a formare un polimero perfettamente lineare, stabilizzato da legami H intracatena, e che può a sua volta associarsi ad altre catene (ponti H intercatena).

Minore è il grado di metilazione delle pectine e maggiore è la possibilità che si formino dei ponti Ca²⁺ o Mg²⁺, determinando l’associazione delle molecole, struttura compatta.

Maggiore è il grado di metilazione delle pectine e minore è la loro associazione, rilassamento della struttura.

La parete primaria

Dopo la deposizione della lamella mediana, ciascun protoplasto forma la propria parete primaria.

La parete primaria è costituita da:

• Sostanze pectiche.
• Cellulosa (10-15%).
• Emicellulose (polisaccaridi concatenanti).
• Proteine (strutturali ed enzimatiche).

2 Parete primaria. Ponti H intracatena. 1 Lamella mediana. H O^-. 2 β(1-4).

La cellulosa: omopolisaccaride formato da residui di β-glucosio uniti con legame. Questo tipo di legame fa sì che i singoli monomeri di glucosio si orientino nella macromolecola a formare un polimero perfettamente lineare, stabilizzato da legami H intracatena, e che può a sua volta associarsi ad altre catene (ponti H intercatena).

La parete primaria è costituita da:

• Sostanze pectiche.
• Cellulosa (10-15%).
• Emicellulose (polisaccaridi concatenanti).
• Proteine (strutturali ed enzimatiche).

HO HC2. H O2 7. Silvia Morgutti - G29 UniMI.

Questi gruppi possono interagire con altri gruppi di altre catene di cellulosa: ponti H intercatena. 8.

Organizzazione della cellulosa in micro- e macrofibrille

Nelson e Cox. Principi Biochim. Silvia Morgutti - G29 UniMI. Lehninger. Zanichelli 2006.

La cellulosa è sintetizzata dalla cellulosa sintasi, organizzata in complessi (“rosette”) di sei subunità, ciascuna formata da sei enzimi, situati nella membrana plasmatica. La singola molecola di cellulosa sintasi preleva il monomero (una particolare forma di β-glucosio) dal citoplasma e produce la macromolecola di cellulosa che viene “estrusa” verso l’esterno organizzata in micelle (dalle subunità: 6 catene di cellulosa) e microfibrille (dalla rosetta: 36 catene di cellulosa).

Grazie alla possibilità di formare ponti H intercatena e alla particolare disposizione della cellulosa sintasi in gruppi di 6 e di 36 subunità enzimatiche (“rosette”, cfr. dia precedente),

1. Singole molecole lineari di cellulosa (ciascuna lunga da 2000 a 25000 residui di glucosio) si coordinano fra loro a formare.
2. Micelle (6 catene di cellulosa).
3. Microfibrille (fasci di 36 molecole di cellulosa), tipiche della parete primaria.
4. Macrofibrille [microfibrille tenute insieme da polisaccaridi concatenanti].

L’architettura della parete primaria

La parete primaria ha quindi un’architettura complessa, paragonabile a quella del cemento armato:

• In una matrice formata da sostanze pectiche decorrono microfibrille di cellulosa diversamente orientate tenute insieme da polisaccaridi concatenanti (emicellulose).
• A formare macrofibrille.
• Proteine di parete (estensina) che rafforzano la struttura.

Altre componenti polisaccaridiche della parete: le emicellulose

Le emicellulose sono polisaccaridi eterogenei (eteropolisaccaridi) ramificati che tengono unite fra loro le microfibrille di cellulosa (polisaccaridi concatenanti), formando una rete tridimensionale molto resistente.

OUT. L’architettura della parete primaria. La parete primaria ha quindi un’architettura complessa, paragonabile a quella del cemento armato: in una matrice formata da sostanze pectiche decorrono microfibrille di cellulosa diversamente orientate tenute insieme da polisaccaridi concatenanti (emicellulose) a formare macrofibrille e proteine di parete (estensina) che rafforzano la struttura. Lamella mediana. Sostanze pectiche. Parete primaria. Fibrille di cellulosa. Membrana plasmatica. 13. Polisaccaridi concatenanti. IN. Silvia Morgutti - G29 UniMI.

Le caratteristiche delle pareti cellulari primarie determinano le caratteristiche organolettiche degli alimenti di origine vegetale: la tessitura della polpa dei frutti e le loro proprietà organolettiche.

La tessitura della parete: nella parete primaria