Schemi della seconda parte del corso Biologia farmaceutica vegetale

Elementi di una cellula vegetale

Parete cellulare

Parete cellulare: complessa struttura polimerica organizzata in maniera continua e dinamica esternamente al plasmalemma (fuori dalle cellule vegetali). La sua composizione, organizzazione e proprietà variano costantemente in base alla crescita, al differenziamento e allo sviluppo della cellula; le cellule dei vari tessuti hanno delle pareti caratteristiche e spesso le funzioni delle cellule stesse sono determinate dalla parete che le circonda.

Funzioni

• Mantenimento e determinazione della forma e della grandezza della cellula
• Controllo della velocità e della direzione di accrescimento della cellula in base a come si dispongono le fibre
• Architettura della pianta
• Controllo dell’espansione cellulare (pressione di turgore)
• Conferimento di forza meccanica
• Ruolo metabolico (sede di attività enzimatiche)
• Assorbimento, trasporto (trasporto apoplastico) e secrezione di sostanze
• Barriera contro patogeni, insulti abiotici, raggi UV
• Produzione di molecole segnale
• Riduzione della perdita di acqua dai tessuti (grazie a modificazioni secondarie)
• Immagazzinamento di sostanze di riserva

Struttura generale

Dall’esterno all’interno:

1. Lamella mediana: zona adiacente fra le cellule che le tiene adese, ossia cementa le pareti. È formata da sostanze pectiche e acqua, spessore di 0,1μm. Può essere idrolizzata e si formano spazi intracellulari, utili per gli scambi gassosi di CO2 e O2 con l’ambiente esterno.
2. Parete primaria: depositata da cellule in accrescimento e in differenziazione. Spessore 0,1-1μm ed è formata da cellulosa, sostanze pectiche, emicellulosa e proteine.
3. Parete secondaria: depositata dopo che si è conclusa l’espansione cellulare, una volta depositata la cellula non può più cambiare forma e non si può più espandere. Infatti si forma dopo l’accrescimento per distensione a ridosso della parete primaria e in senso centripeto per apposizione di lamelle sovrapposte in cui le microfibrille si incrociano, che hanno composizione e caratteristiche diverse. Ha funzione di supporto (strati concentrici) ed è formata da cellulosa e alle volte lignina e può contenere cutina, suberina e cere (sostanze lipofile con funzione impermeabilizzante). Determina la funzione e il ruolo delle cellule nei vari tessuti.

È formata da cellule altamente specializzate e differenziate ed è composta da una scarsa matrice che interagisce con un abbondante sistema fibrillare costituito da cellulosa e in parte da lignina, ci sono anche emicellulose ma hanno una composizione diversa rispetto alla parete primaria.

4. Membrana plasmatica

Composizione

Polimeri della parete:

• Glicano: polimero di zucchero
• Polimeri lineari:
  • Omopolimeri: formati dalla stessa unità di base
  • Eteropolimeri: formati da due o più zuccheri che si ripetono
• Polimeri ramificati: catena principale + catene laterali

Struttura altamente organizzata e caratterizzata dall’interazione ordinata fra:

• Componente fibrillare cellulosica: formata da cellulosa che conferisce resistenza meccanica.

Cellulosa (nativa): omopolimero lineare di residui di D-glucosio, ha come unità costitutiva il cellobiosio (dimero di β-D-glucosio con legame glicosidico 1,4), la lunghezza della catena è correlata alla tipologia di cellula. Le estremità della catena sono differenti:

• Non riducente: D-glucopiranosio che ha il carbonio anomerico impegnato in un legame glicosidico
• Riducente: D-glucopiranosio che ha il carbonio anomerico libero, si può convertire nella sua forma aperta e dare il gruppo aldeidico responsabile delle proprietà riducenti (funzione emiacetalica ciclica).

Sintesi della cellulosa

36 catene glucaniche formano una microfibrilla di cellulosa; questo perché la cellulosa sintasi che sintetizza cellulosa a livello della membrana plasmatica è formata da 6 rosette e ogni rosetta contiene al suo interno 6 glucosiltransferasi che sintetizzano la cellulosa. L’interazione fra le varie catene avviene grazie ai legami idrogeno sia intramolecolari sia intermolecolari. Dalle microfibrille si formano le macrofibrille e poi le fibre di cellulosa.

Hanno un andamento parallelo perché le rossette scivolano lungo a dei microtubuli affacciati sulla superficie interna della membrana.

Le microfibrille presentano:

• Regioni cristalline: disposizione regolare delle catene polimeriche. In questa forma è anidra, insolubile e resistente alla degradazione da parte di enzimi.
• Regioni amorfe: disposizione irregolare delle catene polimeriche.

• Componente matriciale polisaccaridica: formata da diverse sostanze in cui le microfibrille di cellulosa sono immerse come:

Emicellulose: componente variabile in quanto la sua percentuale è legata alla tipologia cellulare, allo stadio di sviluppo, alla specie e alle condizioni di crescita della pianta. Sono presenti principalmente nella parete secondaria e sono importanti per la struttura dei tessuti di conduzione. Sono composte da:

• Xiloglucani: catene principali D-glucosio (4 unità con l’ultima sempre non sostituita) con catene laterali di xilosio
• Xilani: catena base di xilosio con vari sostituenti senza una struttura base ripetitiva
• Mannani: β-glucani, galattomannani, glucomannani, galattoglucomannani
• Callosio: glucosio legato con legami 1,3 con struttura elicoidale.

Pectine: polisaccaridi con una struttura complessa ricchi di acido galatturonico ma anche ramnosio, galattosio, arabinosio. Sono localizzate a livello della lamella mediana. Le pectine metilate sono solubili in acqua, mentre quando sono demetilate sono salificate (associate a ioni bivalenti) e formano ponti ionici che le rendono insolubili, si forma un gel a struttura rigida che aumenta la viscosità della parete. Sono formate da tre principali polimeri pectici:

• Omogalatturonani: omopolimeri lineari di acido α-D-galatturonico con un grado di polimerizzazione variabile legata alla specie. Sintetizzati nell’apparato del Golgi, vengono secreti nella loro forma esterea, gli acidi carbossilici sono metilati e poi vengono demetilati a opera di alcune esterasi, formano dei derivati ionizzati che formano legami ionici con calcio e magnesio.
• Ramnogalatturonani I: ripetizioni di un disaccaride dove ai residui di Rha sono legate catene glucaniche come arabinano, galattano, o arabinogalattano.
• Ramnogalatturonani II: scheletro di base di omogalatturano con quattro catene laterali molto complesse.

Proteine strutturali: piccola frazione proteica + grandi catene laterali polisaccaridiche. L’elevato grado di glicosilazione consente la formazione di legami covalenti con la porzione polisaccarida della parete. La loro composizione e distribuzione varia a seconda della specie, della tipologia cellulare e dello stadio di sviluppo.

In base all’amminoacido prevalente:

• Ricche di idrossiprolina:
  • Estensine: usate per assemblare le componenti della parete. Oltre a idrossiprolina contengono anche tirosine importanti per la formazione di ponti ditirosinici sia a livello intermolecolare che intramolecolare fra la componente proteica e la matrice; si forma una rete glicoproteica fissa e strutturata che conferisce resistenza e che blocca le microfibrille di cellulosa che decorrono nei pori della rete.

Appena secreta è una proteina solubile in acqua ma la solubilità tende a diminuire durante la maturazione e il differenziamento. È coinvolta nella risposta cellulare e svolge ruoli di difesa dall’attacco di agenti patogeni.

• Ricche di prolina
• Ricche di glicina
• Ricche di arabinogalattano: formate da un polimero di galattosio variamente sostituito con zuccheri ramificati. Si trovano sia nella parete sia nella membrana plasmatica (fra la parete primaria e il plasmalemma) e sono delle molecole segnale nei processi di sviluppo perché inducono precise modificazioni.

Proteine con attività enzimatica:

• Enzimi ossidativi: responsabili della formazione di ponti di tirosina, come le perossidasi.
• Enzimi idrolitici: degradano i legami dei polisaccaridi della parete.
  • Pectinasi
  • Cellulasi
  • Emicellulasi
• Enzimi coinvolti nell’espansione cellulare: transglicosidasi.

Architettura

Modello di trama e ordito in cui le microfibrille di cellulosa e le molecole di estensina decorrono perpendicolarmente l’uno con l’altro intrecciandosi. Oltre a questo, le componenti matriciali formano legami accessori conferendo caratteristiche particolari.

Quando una cellula si espande, la parete diventa più lassa e si tratta di un processo che viene mediato dai fitormoni (auxine) che promuovono il trasporto di protoni a livello della parete abbassando il pH; in questo modo si attivano le espansine che rompono temporaneamente i legami idrogeno fra le microfibrille permettendo l’ampliamento della parete cellulare.

Acqua

Acqua: rappresenta il 60% del peso fresco della parete. Ha funzione strutturale perché partecipa alla formazione di gel con i polisaccaridi pectici la cui viscosità dipende dalla quantità di acqua che presentano. Inoltre, riduce la forza dei legami idrogeno fra i componenti della parete influenzando le proprietà meccaniche della parete, influenza la permeabilità perché nella parete ci sono ioni che possono formare dei sali con i polisaccaridi.

Mezzo importante per far avvenire le reazioni enzimatiche a livello della parete.

Plasmodesmi

Plasmodesmi: strutture con delle aperture che mettono in comunicazione una cellula con l’altra, ossia sono dei canali citoplasmatici che connettono cellule adiacenti e sono responsabili della continuità fra una cellula e l’altra. Il numero di plasmodesmi varia da tessuto a tessuto, ma ce ne sono almeno 1000-100.000 per cellula e hanno un diametro variabile.

Nella loro interezza sono attraversati dal reticolo endoplasmatico, il cui tubolo centrale è mantenuto in asse da alcune proteine che gli si attorcigliano attorno e si ancorano alla parete. Oltre a questo, le pareti cellulari si restringono formando una sorta di collo grazie alla presenza del callosio; conformazione indispensabile per andare a bloccare le molecole di dimensioni elevate, in quanto non passano le molecole che hanno un peso superiore ai 1000 Da. Ci sono anche dei sistemi di controllo molto fini grazie alla presenza di proteine globulari che sporgono e creano uno sfintere e sono in grado di riconoscere le molecole.

Modificazioni durante il differenziamento cellulare

Durante la vita della cellula, la parete subisce delle modificazioni chimico-fisiche in stretto rapporto con le funzioni che deve svolgere a seconda del tessuto in cui la cellula si trova. Le principali modificazioni avvengono per:

• Incrostazione: infiltrazione di materiale tra gli spazi interfibrillari.
  • Lignificazione: aumenta la resistenza meccanica, l’impermeabilità e la rigidità della parete rendendola resistente alla compressione. Meccanismo che avviene principalmente nella parete secondaria grazie alla lignina, polimero di natura fenolica (dall’acido shikimico) idrofobico, rigido e poco comprimibile con funzione strutturale. La lignina forma legami covalenti con altri polimeri della parete come proteine e polisaccaridi (eterei e esterei) formando una rete strutturale estremamente resistente.

Durante il processo di lignificazione, la lignina diminuisce fino a eliminare l’acqua dalla parete e forma una trama idrofobica che lega la cellulosa e previene l’espansione cellulare. La deposizione delle lignine avviene dallo strato della parete secondaria vicino alla membrana cellulare e poi procede per infiltrazione per tutto il resto della parete, quindi la lignina si deposita fra le microfibrille. Quando questo processo finisce, la cellula muore e quando una cellula lignifica tutta la parete ha questa caratteristica e gli vengono preclusi tutti gli scambi con le cellule vicine.

Elementi cellulari che hanno la parete lignificata:

• Vasi: funzione di trasporto di acqua e ioni, dove la lignificazione avviene a spirale
• Fibre sclerenchimatiche: funzione meccanica di sostegno
• Pigmentazione: accompagna il processo di lignificazione ed è l’impregnazione della parete con sostanze più o meno colorate (tannini, naftochinoni, chinoni,...) che hanno solitamente proprietà antisettiche perché fanno in modo che il legno non vada in marcescenza. Avviene a opera dei flobafeni, polimeri di flavan-4-olo dal colore rosso-bruno, importanti perché preservano l’organismo.
• Mineralizzazione: sulla parete si depositano sostanze minerali come il carbonato di calcio (calcificazione), l’ossalato di calcio e il biossido di silicio che conferiscono resistenza e durezza.

• Apposizione: aggiunta alla parete di materiali lipofili che aumentano l’impermeabilizzazione.
  • Cutinizzazione: apposizione di cutina sulla parete in modo da renderla impermeabile e inattaccabile da agenti esterni. Processo che riguarda principalmente le cellule dell’epidermide (tessuto esterno agli organi della pianta) che protegge dagli agenti esterni e dalla dispersione di acqua, in quanto viene rivestita da una cuticola formata da cutina e cere.

Cutina: polimero formato da acidi grassi, principale costituente della cuticola; forma un network polimerico di acidi grassi a 16/18 atomi di carbonio legati fra loro attraverso dei ponti esterei. La cutina diventa un’impalcatura che protegge dal danno meccanico e forma uno scheletro strutturale per gli altri componenti della cuticola. Conferisce alla parete l’impermeabilità all’acqua e ai gas atmosferici.

• Cerificazione: processo che avviene assieme alla cutinizzazione nella cuticola e si tratta dell’apposizione di cere presenti in quantità variabili in base alla pianta (ambienti aridi = cere elevate) che protegge la pianta dalla perdita di acqua e gli permettono di interagire con l’ambiente esterno. Alcune cere prevengono la germinazione di agenti patogeni o facilitano la dispersione di acqua e polveri (superidrofobicità in cui le gocce d’acqua scivolano via).

Cere: miscela complessa di catene alifatiche dritte costituite da 20-60 atomi di carbonio. All’interno di esse si possono trovare metaboliti secondari come triterpenoidi e flavonoidi e anche fenilpropanoidi.

• Suberificazione: apposizione di suberina (sughero) alle pareti cellulari. Tessuti formati da cellule suberificate sono barriere contro la perdita di acqua e di nutrienti e di protezione da agenti esterni, ossia forma un’interfaccia di separazione fra il tessuto della pianta vivente con l’esterno e fra i vari tessuti all’interno del corpo della pianta. Quando la cellula appone questo strato sta andando incontro a un’azione suicida perché una volta che tutto lo strato è stato deposto essa non è più in grado di fare scambi con l’esterno.

All’interno della pianta si possono trovare tessuti con pareti parzialmente suberificate per regolare il passaggio di acqua da una parte all’altra.

Suberina: polimero con una struttura complessa, formato da acidi grassi ossigenati; quindi è un composto lipofilo e impermeabilizzante. Si deposita a strati alternando zone ricche di componenti alifatiche con zone ricche di componenti fenoliche.

• Gelificazione: formazione di mucillagini dovuta a un aumento importante delle sostanze pectiche presenti a livello della parete su cui si depositano polisaccaridi e glicopolisaccaridi, avidi di acqua e che sono in grado di trattenerla. La parete assume un aspetto mucillaginoso e tende a rigonfiarsi, diventando quasi traslucida.

Mucillagini: polisaccaridi acidi eterogenei che si dissolvono a contatto con l’acqua in maniera diversa e che tendono a formare soluzioni colloidali (gel). Vengono sintetizzate nel Golgi.

Cellulosa, pectine, lignina, cere, mucillagini sono fibre, ossia sono polimeri insolubili di origine vegetale con azione lassativa, ipocolesterolemizzante e chemiopreventiva.

Vacuolo

Vacuolo: organello citoplasmatico che occupa il 50-90% del volume della cellula vegetale (citoplasma relegato nella zona periferica della cellula). È un compartimento rappresentato da una cisterna piena di succo vacuolare delimitata da una singola membrana, il tonoplasto. Si tratta di organelli dinamici, in continuità con il sistema di endomembrane, che hanno un’organizzazione complessa.

Nelle cellule giovani, i vacuoli sono piccoli e numerosi (prevacuoli), mentre nel corso del differenziamento diminuiscono di numero fino ad arrivare alla cellula adulta che contiene un unico grande vacuolo.

Funzioni del vacuolo

• Proteolisi e riciclo delle componenti cellulari: all’interno sono presenti enzimi litici come le idrolasi che contribuiscono al riciclo di quasi tutte le componenti cellulari, sono responsabili dell’attività autofagica della cellula.

Gli enzimi vengono utilizzati anche per la morte programmata della cellula,