14) Lezione Auxina

Lezione 14: Auxina

Funzioni biologiche negli organismi multicellulari

Tutti gli organismi multicellulari hanno diverse funzioni biologiche che sono importanti per i processi metabolici e per l’accrescimento. Tutti questi processi metabolici necessitano della regolazione e dell’integrazione delle funzioni dei diversi organi e tessuti, ed inoltre c’è bisogno che per questa integrazione ci siano delle comunicazioni tra le cellule.

Comunicazione nelle cellule vegetali

Abbiamo detto che le cellule vegetali comunicano tramite apoplasto, ma soprattutto attraverso il simplasto, i plasmodesmi, oppure questa comunicazione e queste regolazioni dei processi fisiologici, è mediata da segnali chimici e da ormoni.

Ormoni negli animali

Gli ormoni sono sostanze organiche naturali che, a basse concentrazioni, influenzano profondamente i processi fisiologici. Essi sono sintetizzati in organi o tessuti specifici (ghiandole endocrine), sono trasportati attraverso il circolo sanguigno verso un tessuto bersaglio (ormoni endocrini), ed inoltre controllano un processo fisiologico in maniera concentrazione-dipendente. Gli ormoni autocrini, invece, agiscono in cellule adiacenti alla fonte di sintesi.

Principali classi di ormoni

• Proteine
• Peptidi
• Derivati degli amminoacidi
• Steroidi

Attivazione di una risposta

Quando si attiva una risposta? Una risposta si attiva quando l’ormone si lega ad un specifico recettore. Quindi il ligando si lega al suo recettore specifico, si attiva un legame tra il recettore ed il ligando, e questo attiva la risposta.

Ormoni nei mammiferi

Nei mammiferi può succedere che, gli ormoni che vengono prodotti da alcune ghiandole, ed in questo caso dai testicoli, sono ormoni peptidici ed ormoni steroidei. Qual è la differenza tra questi due ormoni?

La differenza di questi due ormoni è nel modo con cui legano il recettore. Questo perché, gli ormoni steroidei, sono ad azione lenta (ore-giorni), e vengono trasportati attraverso il circolo sanguigno, legati ad una proteina di trasporto, che ha il compito di trasportare l’ormone steroideo, e riescono ad oltrepassare la membrana plasmatica. Questi ormoni steroidei possono avere due tipi di recettori, che attivano la trascrizione genica, e quindi la risposta, e sono recettori sia di natura citoplasmatica, sia recettori nucleari.

Per cui questi ormoni si possono fermare nel citoplasma, legarsi al recettore, ed attivare la trascrizione di geni che rispondono all’ormone steroideo, oppure entrano nel nucleo, dove a livello della membrana nucleare c’è un recettore nucleare, e si legano ad esso, attivando la trascrizione di geni di risposta all’ormone.

Ormoni peptidici

Per quanto riguarda invece gli ormoni peptidici, sono ad azione rapida (secondi-minuti), e questi vengono trasportati liberi attraverso il circolo sanguigno, ma per attivare la loro funzione, hanno bisogno che a livello del citoplasma, ci sia un recettore specifico di membrana, e la sua azione è legata a secondi messaggeri, attivati dal legame ormone-recettore, i quali regolano l’attività di proteine già esistenti. Quindi tutti gli ormoni peptidici hanno un recettore a localizzazione citoplasmatica.

Recettori citoplasmatici

I recettori citoplasmatici sono quelli che sono presenti a livello citoplasmatico, e di solito tutti gli ormoni peptidici hanno un recettore a localizzazione citoplasmatica. Questi ormoni oltrepassano la membrana citoplasmatica, entrano a contatto con il recettore del citoplasma, ed il legame ormone-recettore attiva il recettore, che entra all’interno del nucleo, ed attiva la trascrizione genica dei geni responsivi all’ormone.

Sempre un recettore di membrana che cosa può fare? Il ligando si lega al recettore presente sulla membrana plasmatica, quindi non entra all’interno del citoplasma, ma viene riconosciuto a livello della membrana plasmatica, dove c’è il recettore. Questo legame ligando-recettore attiva dei secondi messaggeri, i quali attivano, a livello nucleare, la risposta.

Secondi messaggeri

Quindi, quando i recettori sono di membrana, c’è bisogno che ci sia un riconoscimento a livello della membrana plasmatica, con un ligando, e quando il ligando si lega al recettore, si attivano dei secondi messaggeri, che poi è la via di segnalazione, e questi secondi messaggeri attivano poi, a livello nucleare, la risposta.

• 3’,5’-AMP ciclico
• 3’,5’-GMP ciclico
• 1,2-diacilglicerolo
• Inositolo
• Ione calcio, importante nella segnalazione e quindi nella risposta a livello genico

Ormoni nelle piante

Il sito di sintesi degli ormoni, nelle piante, non è chiaramente localizzato, ed un esempio può essere l’auxina, e non sempre agiscono in maniera concentrazione-dipendente, e questo è un esempio dato sia dall’auxina che dall’etilene. Ogni ormone regola numerosi processi, e numerosi processi fisiologici sono regolati da diversi ormoni. Quindi nel mondo vegetale, un solo ormone è difficile che possa regolare un solo processo, ma di solito c’è la sinergia con altri ormoni, quindi più ormoni attivano un processo fisiologico. Questi ormoni hanno delle distinzioni, ma lavorano in sinergia.

Fitormoni

I fitormoni regolano tutti gli stadi di vita della pianta, a partire dall’embriogenesi, si attiva la dormienza del seme, la germinazione, abbiamo poi ormoni che attivano la crescita e la ramificazione, lo sviluppo del fiore, la fecondazione e la maturazione del frutto, che poi attraverso la sua maturazione, libera il seme e ricomincia di nuovo il ciclo vitale della pianta.

Le principali classi di ormoni che studieremo, sono:

• Auxina
• Gibberelline
• Citokinine
• Etilene
• Acido abscissico

Esistono altre sostanze segnale, che studieremo in patologia vegetale, durante gli stress, quali:

• Brassinosteroidi
• Acido jasmonico (giasmonico)
• Acido salicilico
• Sistemina
• Poliammine

Auxina

Nel 1880, Darwin cercò di capire perché le piante attivassero un meccanismo di crescita verso la luce, e quindi ha cercato di capire quale fosse il meccanismo che spingesse le piante a crescere verso la luce. Che cosa ha fatto? Ha preso un coleottile integro, al quale gli è stato inviato un fascio di luce. Darwin ha notato che quando c’era questo fascio di luce, il coleottile attivava una crescita verso la fonte luminosa.

Allora ha capito, che molto probabilmente, la parte apicale avesse un ruolo importante. Infatti se vediamo il coleottile, si piega verso l’alto, cioè il piegamento verso la luce è nella parte alta della pianta, e non è nella parte bassa. Darwin allora recise la parte apicale, facendo in modo che fosse convogliata altra luce su questo coleottile. Quando ha inviato la luce su questo coleottile, notò che non c’era nessuna curvatura, e che quindi la pianta non attiva nessun meccanismo di crescita verso la fonte luminosa.

Successivamente, incappucciò l’apice del coleottile, ed inviò un fascio di luce. Si vide che nel coleottile incappucciato succedeva la stessa cosa che accadeva al coleottile con l’apice reciso, cioè non c’era nessun ripiegamento verso la luce. Quindi lui ha pensato che molto probabilmente c’era una sostanza capace di attivare la crescita nelle piante colpite dalla luce, e che questa sostanza fosse prodotta a livello dell’apice. Ma se notiamo il piegamento non è dalla parte dell’apice, ma nella parte distale dall’apice, e, molto probabilmente, questa sostanza attivava, lontano dall’apice, la curvatura per la crescita verso la luce.

Quindi Darwin aveva già capito che c’era una zona d’accrescimento lontano dall’apice, e che molto probabilmente era la zona apicale ad inviare un segnale alla parte sottostante l’apice, e che poi attivava la curvatura verso la luce, cioè a livello apicale viene biosintetizzata, sotto azione della luce, una sostanza segnale, che viene trasporta nella parte un po’ più in basso rispetto all’apice, e questa attiva la crescita verso la luce, determinando la curvatura del coleottile.

L’esperimento che Darwin ha fatto è che, osservando le piante, ha notato che le piante crescevano verso la fonte luminosa, ed ha cercato di capire quale fosse il meccanismo che implicasse la crescita verso la fonte luminosa.

Esperimenti di Jensen

Gli esperimenti di Darwin sono stati ripresi, successivamente, da altri scienziati, ma soprattutto da Jensen, nel 1913, il quale leggendo i trattati di Darwin e del figlio, ha continuato a studiare la crescita del coleottile verso la luce. Abbiamo un coleottile, e la luce colpisce questo coleottile, che attiva la crescita verso la fonte luminosa, ma dalla parte opposta a dove è arrivata la fonte luminosa.

Quindi Jensen ha inserito un foglio di mica (un foglio impermeabile) nella parte opposta al fascio luminoso, dove avveniva la curvatura del coleottile, e vide che non si attivava nessuna curvatura. Successivamente ha fatto il contrario, e cioè ha inserito il foglio di mica nella parte dove arrivava il fascio luminoso, e vide che si attivava nessuna curvatura.

Quindi Jensen capì che c’era qualcosa nella parte opposta alla fonte luminosa, cioè il segnale veniva percepito dove c’era il fascio luminoso, ma il segnale attivava la crescita verso la luce dalla parte opposta. Allora Jensen ha rimosso l’apice, e tra l’apice ed il coleottile ha inserito un foglio di gelatina (permeabile, prende tutto quello che viene prodotto e lo immagazzina grazie ai pori che ha la gelatina). Successivamente sull’apice reciso, la gelatina, e l’ultima parte del coleottile, della pianta che sta crescendo, ha convogliato un fascio di luce, e si aveva così la curvatura del coleottile.

Quindi Jensen con questi esperimenti ha dimostrato, ancora di più, che l’apice del coleottile attiva un segnale per la crescita verso la luce, in quanto l’apice, sulla gelatina, attiva la crescita del coleottile verso la luce.

Esperimenti di Went

Successivamente, nel 1926, Went ha ripreso gli studi condotti fino a quel periodo, ed ha reciso gli apici del coleottile, posizionandoli poi su dei fogli di gelatina, i quali, a loro volta, sono stati tagliati. Prendendo un foglio di gelatina, e poggiandolo su una parte del coleottile, dove era stato reciso dell’apice, ed in particolare nella parte opposta dove avviene la curvatura, quindi opposta alla fonte luminosa, Went vide che il coleottile anche in assenza di luce, quindi non era presente la luce, attivava una crescita.

Quindi Went stabilì che nell’apice del coleottile è presente una sostanza in grado di promuovere la crescita, anche in assenza di luce. Questo perché il coleottile reciso dell’apice, ma su questo coleottile poggiando la gelatina, questa sostanza molto probabilmente attivava la curvatura di crescita, anche in assenza di luce.

Nel 1930, alcuni ricercatori, sia statunitensi che olandesi, hanno riconosciuto la natura della sostanza, capace di attivare la crescita verso la fonte luminosa, ma anche in assenza di luce. Questa crescita era dovuta ad una sostanza, l’acido 3-indolacetico (IAA), e cioè l’auxina. In tutte le piante è presente auxina, però possono essere presenti anche: l'acido 4-clorindol-3-acetico, e l’acido fenilacetico. Queste tre sostanze sono auxine naturali, ma quella più importante è rappresentata dall’acido 3-indolacetico.

Quindi è l’auxina che è capace di attivare una crescita del coleottile, in presenza o in assenza di luce. Accanto alle auxine naturali, nel corso degli anni sono state sintetizzate delle auxine sintetiche, che hanno un ruolo importante, in quanto alcune di queste vengono utilizzate come erbicidi, per far morire le piante che sono infestanti, perché l’auxina va a bloccare altri geni, che sono le ABA, e soprattutto l’etilene, e fa in modo che non rispondono alla crescita mediata da ABA ed all’etilene.

Biosintesi dell'acido 3-indolacetico (auxina)

La voglio sapere benissimo. Gli ormoni li voglio sapere benissimo. La biosintesi avviene nei tessuti in rapida divisione cellulare, che hanno un’attivata divisione cellulare. Quali sono i tessuti che hanno un’attivata divisione cellulare? Questi tessuti sono: i meristemi apicali, sia del germoglio che della radice, quindi l’auxina è sintetizzata sia a livello del germoglio, che a livello della radice; nelle giovani foglie; e nei frutti in via di sviluppo.

La biosintesi parte dall’amminoacido triptofano, e ci sono varie vie nella biosintesi dell’auxina, che sono chiamate vie triptofano-dipendente. La via più comune, tra le vie di biosintesi, è quella che porta dal triptofano all’acido 3-indolpiruvico. Quasi tutte le piante attivano questa via di biosintesi, che ha come intermedio l’acido 3-indolpiruvico. Però ci sono delle vie alternative, che utilizzano intermedi diversi, ed una di queste è quella che avviene nel pomodoro. Il pomodoro utilizza, non la via dell’acido 3-indolpiruvico, ma attiva la biosintesi di triptammina, che si forma attraverso la decarbossilazione del triptofano.

Da questi due intermedi diversi, si ha la formazione del 3-indolacetaldeide, ed infine si forma l’acido 3-indolacetico (auxina). Quindi abbiamo vie triptofano-dipendente, e quella più comune è quella che porta all’intermedio, acido 3-indolpiruvico, invece il pomodoro, che è una delle piante più studiate, utilizza la via della triptammina, attraverso la decarbossilazione del triptofano, ed è questa l’unica via nel pomodoro che utilizza questa biosintesi.

Accanto all’acido 3-indolpiruvico, abbiamo anche un’altra via triptofano-dipendente, che è la via indol-3-acetamide, che porta all’IAM, che viene utilizzata dai batteri patogeni: Pseudomonas e Agrobacterium tumefaciens.

Però si è visto che in alcuni mutanti di mais, che sono mutanti ORP (orange pericarp), la biosintesi di auxina non parte dal triptofano, perché il gene mutato di orange pericarp, di questo mais, è il gene del triptofano sintasi, e quindi non è una via che parte dal triptofano. Quindi abbiamo una via triptofano-dipendente, che è la più comune in tutte quante le piante, poi abbiamo una via particolare nel pomodoro, ed una...