Appunti di Fisiologia Vegetale, II semestre

Appunti del secondo semestre di fisiologia vegetale

Prof. Di Mambro Claudia Tropea - Lezione 18

Struttura, sintesi ed espansione delle pareti cellulari vegetali

Parete cellulare - Funzioni

Le principali funzioni sono:

• Crescita
• Sviluppo
• Mantenimento
• Riproduzione

Infatti, la parete conferisce forza meccanica alle strutture vegetali, funge da collante tra cellule, è coinvolta nella morfogenesi cellulare, costituisce una sorta di esoscheletro che permette lo sviluppo di pressioni di turgore elevate, conferisce resistenza alle pressioni negative dello xilema, riduce la perdita di acqua, permette la diffusione e protegge da patogeni. Produce anche molecole segnale in risposta ad attacchi di patogeni.

Per quanto riguarda le funzioni strutturali, queste sono possibili perché gran parte del carbonio assimilato nella fotosintesi si ritrova nei polisaccaridi della parete. Essa è inoltre impregnata di lignina, suberina, cutina e cere. Le pareti cellulari variano per aspetto e composizione nei diversi tipi cellulari, infatti nel parenchima corticale hanno uno spessore di 100 nm mentre nell'epidermide, nelle tracheidi e vasi dello xilema raggiunge i 1000 nm.

Si possono distinguere due tipi di pareti:

• Primarie: formate da cellule in crescita, sono sottili e strutturalmente semplici.
• Secondarie: si formano dopo l'arresto dell'espansione cellulare, tra la membrana plasmatica e la parete cellulare primaria. Strutturalmente specializzate.

Parete cellulare primaria

Lo spessore varia da 0,2 a pochi micrometri. È composta da:

• Sostanze pectiche al 35%
• Emicellulosa 25%
• Cellulosa 25%
• Proteine 1-8%

Molto ricca di acqua, che può costituire il 60% del peso. Essa è importante per formare un gel con le pectine e formare legami H con altri polimeri della parete primaria.

Parete cellulare secondaria

Composta da:

• Fibre di cellulosa
• Poca emicellulosa e pectine
• No proteine enzimatiche e strutturali
• Lignina, suberina, cutina e cere

Ha una flessibilità ridotta e svolge funzioni di supporto. Nella parete secondaria delle cellule vascolari dello xilema, l'acqua presente negli spazi liberi è sostituita da lignina (idrofoba, alto PM). Ciò rende la parete più rigida e impermeabile, e resistente ai patogeni. La secondaria è suddivisibile in 3 strati, S1, S2, S3, con diverso orientamento delle microfibrille di cellulosa.

Componenti della parete

Cellulosa

Polimero di glucosio che costituisce la componente fibrillare. L'unità base è il cellobiosio, dimero di due molecole di beta-D-glucosio con legame 1-4. Ciò origina singole catene lineari capaci di formare legami H inter- e intramolecolari. Le catene si allineano parallelamente formando microfibrille di 5-15 nm di diametro.

Le microfibrille si uniscono a formare sottili filamenti che possono avvolgersi gli uni agli altri formando una macrofibrilla di 0,5 micrometri. Questa organizzazione rende la cellulosa estremamente resistente.

Biosintesi

Avviene in un complesso multienzimatico nella membrana plasmatica detto rosetta. Questo si estende su entrambe le facce della membrana ed è formato da sei subunità disposte in modo circolare. A sua volta, ognuna delle sei subunità è formata da sei proteine dette cellulosa sintasi (della famiglia delle glucosiltransferasi). Queste proteine, nelle piante superiori, sono codificate dai geni CesA.

Essi appartengono alla superfamiglia che comprende anche i geni cellulosa sintasi-simile Csl, come:

• CslA -> beta 1-4 D-mannani
• CslF e CslH -> beta 1-3;1-4 D-glucani
• CslC -> beta 1-4 D-glucano

Ogni molecola di cellulosa sintasi sintetizza una catena di glucano, poi le catene si associano a formare le fibrille di cellulosa. Il glucosio utilizzato proviene dal saccarosio citoplasmatico. La reazione è:

saccarosio sintasi: saccarosio + UDP -> UDP-glucosio e fruttosio oppure: invertasi: saccarosio -> glucosio + fruttosio, seguito dall'esochinasi che produce esosifosfati. Durante la sintesi della cellulosa, i complessi, che si muovono nel piano della membrana, espellono dal foro centrale le microfibrille sulla superficie esterna della membrana, dove vengono integrate nella parete. I complessi si muovono grazie ai microtubuli corticali, che determinano una disposizione ordinata delle microfibrille.

Matrice

Costituisce la fase amorfa della parete, con alto contenuto di acqua. Vi sono polisaccaridi (emicellulose e pectine) e proteine (HRGP, cioè estensine, GRP, PRP, AGP).

Emicellulose

Xiloglucani, xilano, glucomannani, galattoglucomannani. Sono polisaccaridi ramificati di matrice che si legano alla cellulosa tramite legami H. I monomeri che le costituiscono sono glucosio, xilosio, galattosio, mannosio, fucosio. Tengono insieme le microfibrille adiacenti rendendo la parete elastica e sono quindi importanti per l'accrescimento cellulare. Costituiscono il 40% delle pareti primarie e 30% delle secondarie. Nelle eucotiledoni troviamo principalmente xiloglucani, nelle monocotiledoni gli xilani. Glucomannani e galattoglucomannani sono le emicellulose della parete secondaria.

Pectine

Ramnogalatturonani, omogalatturonani, arabinani, arabinogalattani. Sono polisaccaridi acidi o neutri che formano catene più o meno ramificate. Il componente principale è l'acido galatturonico, altri sono ramnosio, galattosio e arabinosio. Sono fortemente idrofili e formano gel che conferiscono elasticità. Caratterizzano la lamella mediana che cementa le pareti di cellule contigue. In una parete primaria le fibrille di cellulosa sono unite in un complesso reticolo da molecole di emicellulose, legate alla superficie delle microfibrille da legami idrogeno. Il reticolo cellulosa-emicellulosa è immerso in un intreccio di pectine.

Proteine

Abbiamo proteine strutturali ed enzimatiche. Le prime sono glicoproteine idrofile che possono formare legami H. Ricordiamo le estensine, che conferiscono rigidità, e AGP (arabinogalattaniche), in bassissima quantità, importanti per adesione cellulare e induzione al differenziamento, ed anche per ridurre l'associazione spontanea di polisaccaridi neosintetizzati.

Le proteine enzimatiche invece fungono da catalizzatori per le reazioni biochimiche. Ricordiamo:

• Cellulasi
• Pectinasi
• Idrolasi
• Ossidoriduttasi
• Perossidasi
• Fosfatasi acide
• Chitinasi
• Glucanasi

Lignina

Polimero complesso di natura fenolica che conferisce rigidità. Si trova nelle pareti delle cellule che hanno funzione di sostegno. Sostituendosi all'acqua, stabilizza i ponti idrogeno che tengono insieme cellulosa ed emicellulosa. È il polimero aromatico più abbondante sulla terra, fondamentale anche per molte attività umane come la produzione di carta, medicinali (antiossidanti, antimicrobici), pesticidi, carburante, cemento, plastica, detergenti.

Cutina, suberina, cere

Sostanze grasse nei tessuti esterni di protezione del corpo della pianta. La cutina nelle pareti dell'epidermide, la suberina nel sughero. Importanti per ridurre la perdita d'acqua per traspirazione.

Divisione cellulare

Per via della presenza della parete, le cellule vegetali non possono separarsi per mitosi come le cellule animali. Durante la divisione, si forma un setto tra le future due cellule definito fragmoplasto, che andrà a costituire la parete di divisione. Al termine della mitosi, numerose vescicole di origine dal Golgi e le cisterne del reticolo endoplasmatico si raccolgono fra i due nuclei a formare la piastra cellulare. Il processo di migrazione e fusione delle vescicole è controllato da un sistema di microtubuli che si forma al termine della mitosi, il fragmoplasto. La piastra cellulare comincia a formarsi al centro e poi si espande verso la periferia della cellula madre, fino a fondersi con il plasmalemma e la parete preesistenti.

Sviluppo della parete

Il successivo sviluppo della parete richiede una precisa coordinazione fra:

• Sintesi delle microfibrille cellulosiche a livello del plasmalemma
• Sintesi delle pectine e delle emicellulose a livello del Golgi
• Sintesi delle proteine a livello del reticolo endoplasmatico

La biosintesi dei polimeri di matrice, sia emicellulosici che pectici, avviene nell'apparato di Golgi ad opera di specifici enzimi (glicosiltransferasi) di membrana. Una volta pronti, i polimeri di matrice raggiungono la parete mediante trasporto vescicolare. La sintesi delle proteine di parete, sia strutturali che enzimatiche, inizia nel citosol. Quando la sintesi non è ancora completata, sono indirizzate al reticolo endoplasmatico, da qui all'apparato di Golgi dove terminano la loro maturazione, per poi essere secrete grazie al trasporto vescicolare.

Teorie sulla biogenesi della parete

1. Autoassemblaggio: i polisaccaridi di parete hanno una tendenza naturale ad aggregarsi spontaneamente in strutture organizzate.
2. Assemblaggio mediato da enzimi: lo xiloglucano endotransglucosilasi (XET) taglia lo xiloglucano e aggiunge nuove unità, la glucosidasi stacca catene laterali di emicellulosa; la pectina metil esterasi agisce sulla pectina regolandola capacità di integrazione di ioni calcio e quindi la formazione di grandi intrecci; l'ossidasi catalizza il legame fra gruppi fenolici e regola la formazione di lignina.

Accrescimento cellulare

Esso implica un cambiamento nelle dimensioni e nella composizione della parete. Per generare l'espansione cellulare è necessario il turgore e il rilassamento della parete. Il rilassamento avviene separando le microfibrille e inserendo le neoformate. Due sono i possibili enzimi coinvolti:

• XET: trasferisce catene di xilosio da una posizione ad un'altra dello scheletro xiloglucanico modificando la tensione in determinate posizioni ma senza riduzione della capacità cementante della matrice.
• Espansine: catalizzano rotture dei legami idrogeno fra microfibrille e emicellulose.

La direzione dell'espansione è determinata da quella delle microfibrille. Se queste sono disposte in maniera casuale, la crescita è isotropica (uguale in tutte le direzioni), se invece sono disposte in modo ordinato la crescita è anisotropica (crescita perpendicolare alla direzione delle fibrille, longitudinale piuttosto che diametrale).

L'organizzazione del citoscheletro è governata dalle proteine ROP e RIC (RIC attivano le ROP, le ROP sono GTPasi cioè legano il GTP). Operano il controllo locale della crescita organizzando microfilamenti di actina e microtubuli di tubulina. L'orizalina invece depolimerizza i microtubuli.

I microtubuli corticali guidano il posizionamento dei complessi cellulosa sintasi (CSC), il legame è garantito dalla proteina CSI1.

Le cellule vegetali per cambiare forma devono controllare la velocità e la direzione dell'espansione della parete cellulare, e lo fanno tramite:

• Secrezione della cellulosa nel giusto orientamento
• Allentamento selettivo dei legami fra i polimeri della parete
• Indebolimento biochimico permette alla microfibrille di cellulosa e ai polisaccaridi di matrice associati di scorrere, incrementando l'area della superficie della parete.

L'aumento del volume della cellula è determinato dall'assunzione di acqua nel vacuolo, che è un processo passivo. Il rilassamento da tensione genera infatti un abbassamento del PSIw (potenziale idrico) della cellula così da creare un gradiente che causa l'accesso di acqua.

Cellula turgida non in crescita

• Differenza tra esterno e interno di PSIw =0
• Assunzione di acqua
• Aumento pressione di turgore
• Tonoplasto spinge contro la parete

Quindi stiramento della parete reversibile.

Cellula turgida in crescita

• Differenza di PSIw <0
• Assunzione acqua
• Aumento pressione turgore
• Allentamento parete
• Diminuzione PSIp (potenziale di pressione)
• Espansione
• Diminuzione PSIw

Quindi stiramento irreversibile.

Soglia di cedimento

È il valore del turgore al quale si arresta la crescita.

Modello a crescita acida

L'espansione cellulare è regolata positivamente dal pH acido. La fusicoccina attiva le H+ATPasi inducendo quindi l'acidificazione della parete. Perde però di efficacia se le pareti vengono trattate con calore, proteasi o altri agenti denaturanti. Non è il pH in sé a indurre l'accrescimento, ma le proteine specifiche che lo inducono sono attivate dal pH.

Le espansine catalizzano l'estensione dipendente dal pH e il rilassamento da tensione delle pareti cellulari. L'attività delle espansine determina un indebolimento dei legami H fra i polisaccaridi di parete. Le famiglie principali sono le alfa e beta espansine. Le espansine separano le microfibrille dai polisaccaridi, che sono ora esposti agli enzimi della parete. In questo modo le microfibrille possono scorrere tra loro.

Il differenziamento terminale della cellula porta all'arresto irreversibile della crescita. Ora l'estensibilità della parete si riduce perché si riducono i processi di rilassamento, aumentano i legami incrociati e si altera la composizione della parete. In particolare si ha un'alterazione della struttura dei polisaccaridi di matrice neo formati per formare complessi più stretti con la cellulosa o altri polimeri di parete, e si ha la rimozione di 1-3 1-4 beta D-glucani (cellulosa) dalle pareti per conferire rigidità. Infine, si ha la de-esterificazione delle pectine che determina irrigidimento del gel e l'attività perossidasica determina la formazione di legami incrociati di gruppi fenolici (es. HRPG).

Lezioni 19, 20, 21, 22

Auxina

Questa molecola possiede proprietà morfogenetiche, in quanto se inibita si osserva una riformulazione del pattern distale e della polarità. Questo ormone è infatti uno dei principali regolatori dello sviluppo della pianta, e molte sue funzioni variano in base alla sua concentrazione variabile nel tessuto, in cui forma massimi e minimi e gradienti tra cellule.

Omeostasi

Regolata da PIN localizzati sul reticolo endoplasmatico. PIN5 regola il trasporto di auxina intracellulare, in particolare media l'ingresso dell'ormone nel RE.

Trasporto

L'IAA è trasportata polarmente, ciò è stato dimostrato da un esperimento (Van der Weij) in cui un segmento di coleottile veniva posto tra due blocchetti di agar, quello superiore conteneva auxina e fungeva da donatore, quello inferiore ne era privo e faceva da ricevente. In questo caso l'auxina si muoveva dall'alto in basso. Se però il segmento veniva capovolto, il flusso si interrompeva. Perché?

IAA entra nella cellula passivamente se in forma indissociata (IAAH), oppure tramite trasporto attivo secondario se in forma anionica (IAA-). La parete cellulare ha un pH acido mantenuto dall'H+-ATPasi, mentre il citosol è neutro e qui predomina la forma anionica. Gli anioni lasciano poi la cellula tramite trasportatori appositi localizzati nella regione basale. Sono questi trasportatori a determinare la polarità del trasporto. Questi carriers sono:

• ABCB: hanno ruoli vari, specialmente di uscita. Mutanti di Arabidopsis che hanno perso la funzione di ABCB presentano fenotipi nani.
• AUX1/LAX e PGPs: carriers di entrata, o influx, che mediano l'ingresso di IAA- nel citoplasma tramite cotrasporto. IAAH invece diffonde passivamente. LAX sta per "Like AUX1".
• PIN e PGPs: carriers di uscita, o efflux. Il mutante pin1 presenta foglie anomali ed una infiorescenza a spillo. La localizzazione di questi carriers è molto importante, essi si trovano sulla porzione basale delle cellule parenchimatiche corticali della radice e sono responsabili dell'efflusso di auxina dall'apice caulinare a quello radicale.
• Dal citosol al RE: PINs e PILS.

Quindi, le proteine PIN lavorano sinergicamente con le ABCB (P-glicoproteine ATP-dipendenti, mediano l'uscita), mantenendo il trasporto direzionale di auxina e impedendone il riassorbimento. NPA invece è un inibitore del trasporto dell'auxina, che interferisce con l'attività della proteina PIN determinando un accumulo di auxina nella cellula.

Determinazione della posizione dei carriers

Le proteine PIN sono bersagli della fosforilazione da parte della chinasi PID e della defosforilazione da parte della fosfatasi PP2A. Lo stato di fosforilazione è cruciale per determinare la localizzazione: se fosforilate si localizzano sul lato apicale, se defosforilate su quello basale. È coinvolto il movimento di proteine sintetizzate de novo attraverso il sistema secretorio di membrane. La localizzazione è mediata da processi endocitotici ciclici tra la membrana plasmatica e l'endosoma. In particolare, questo processo spiega come le proteine PIN1 vengono depositate nelle porzioni basali delle cellule. Le proteine PIN continuamente sono soggette ad un ciclo tra il plasmalemma e compartimenti endosomici.

Vie di trasduzione

L'auxina è percepita da almeno due tipi di recettori:

• ABP1: recettore proteico localizzato sulle membrane (plasmalemma e RE) il cui legame con IAA determina l'attivazione della pompa protonica di membrana, che estrude protoni nello spazio infraparete indebolendo i legami della matrice.
• TIR1: proteina F-box solubile facente parte del complesso SCF(TIR1). Questi complessi catalizzano il legame covalente dell'ubiquitina a proteine che sono così segnalate per la proteolisi. In questo caso, l'auxina lega il recettore auxinico TIR1 il quale lega a sua volta la proteina AUX/IAA, che è un repressore della trascrizione genica.