Appunti sul Vacuolo

Che cos'è il vacuolo?

Il termine vacuolo fu inventato a metà dell'800 da uno studioso, un microscopista, che osservava delle piccole vescicole che si formavano in alcuni protozoi acquatici. Siccome queste vescicole, che erano transitorie, apparivano vuote, non riempite di citoplasma, le chiamò vacuoli (organelli vuoti). Poco tempo dopo si osservarono delle strutture simili, apparentemente vuote, nelle cellule vegetali e, per analogia, fu dato a queste strutture lo stesso nome (vacuolo).

Il vacuolo in realtà non è vuoto, ma contiene un po' di tutto (sali minerali, proteine, coloranti, sostanze tossiche, rifiuti cellulari, enzimi, ecc.) ed è un compartimento che è circondato da una membrana (un bilayer) chiamata tonoplasto. All'interno del tonoplasto è presente una soluzione che può avere un pH che va da acido (anche estremamente acido) fino alla neutralità o leggera basicità.

Tipi di vacuoli

Esistono diversi tipi di vacuoli: nei vacuoli litici il pH è solitamente acido, nei vacuoli di riserva il pH è solitamente neutro o leggermente basico.

Formazione dei vacuoli

Fino a poco tempo fa si pensava che i vacuoli si formassero attraverso una cooperazione di diversi organelli sub-cellulari. Si pensava che alla formazione del vacuolo contribuissero il reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi e i lisosomi. Questa ipotesi veniva chiamata ipotesi di formazione GERL (Reticule Endoplasmatic Lysosomes). Attualmente si sa che questa ipotesi non ha fondamento, perché si è visto che i vacuoli si formano da regioni specializzate del reticolo endoplasmatico, cioè ci sono sub-domini specializzati del reticolo endoplasmatico deputati alla formazione dei vacuoli. In questi sub-domini vengono inserite, sempre ad opera del traslocone al livello di membrana, quelle proteine che caratterizzeranno il tonoplasto. Quindi queste regioni del reticolo endoplasmatico saranno ricche delle stesse proteine che troveremo poi nel tonoplasto. Le principali proteine che troviamo nel tonoplasto sono: le acquaporine (trasporto dell'acqua) e alcune pompe H+ atpasi o H+ pirofosfatasi.

Nelle cellule meristematiche (cellule che hanno la funzione di dividersi) sono già presenti dei piccoli vacuoli (di solito sono numerose piccole vescicole derivanti dal reticolo endoplasmatico con una piccolissima quantità di ialoplasma all'interno) chiamati provacuoli che sono diffusi nel citoplasma della cellula meristematica. Si parla in questo caso di una tipologia di vacuolarizzazione diffusa. Quando questa cellula meristematica esce dal ciclo cellulare e va incontro al differenziamento, deve succedere che essa vada incontro a una forte crescita, crescita per distensione che può essere isodiametrica (uguale in tutte le direzioni) o orientata in una direzione preferenziale.

Questa crescita per distensione avviene in modo molto rapido perché non è necessaria una forte sintesi di citoplasma, in quanto la maggior parte del volume che aumenta notevolmente durante questa crescita per distensione è riempita dal vacuolo ovvero da acqua. Via via che la cellula si distende e si differenzia, cioè diventa una cellula adulta, infatti il vacuolo richiama un'enorme quantità d'acqua dall'esterno, i piccoli provacuoli si riempiono sempre più di acqua e si accrescono, si fondono fra di loro fino a formare nella cellula adulta un grosso vacuolo centrale che può essere anche unico. In questo caso si parla di vacuolarizzazione centrale.

Vacuolarizzazione centrale e diffusa

Quando nelle cellule adulte si forma un grosso vacuolo centrale, questo può contribuire anche a riempire la maggior parte del volume cellulare (anche il 90% del volume cellulare) e spinge il citoplasma a ridosso della membrana. Per permettere il passaggio di materiale da una parte all'altra della cellula sono presenti delle briglie citoplasmatiche, che possono attraversare il vacuolo, e in queste briglie citoplasmatiche ci sono delle correnti citoplasmatiche che facilitano il movimento di alcuni organelli, per esempio dei dittiosomi. Non sempre il vacuolo riempie il 90% del volume cellulare; abbiamo anche situazioni in cui il vacuolo costituisce una percentuale minore del volume cellulare (può andare dal 30 al 90%).

In queste due immagini sono rappresentati i processi di vacuolarizzazione: nel caso A una vacuolarizzazione diffusa e nel caso B una vacuolarizzazione centrale. Nell'immagine A sono delle cellule meristematiche in via di differenziamento che andranno a formare l'ovulo Euphorbia dulcis. Ci sono tanti piccoli provacuoli, le cellule sono isodiametriche a nucleo grande, non si evidenziano l'apparato di Golgi e il reticolo endoplasmatico in maniera evidente, quindi si tratta di una cellula meristematica in via di differenziamento.

Nell'immagine B ci sono delle cellule completamente differenziate, infatti sono delle cellule fotosintetizzanti del parenchima clorofilliano. Si trovano nelle foglie e sono caratterizzate dalla presenza di un grosso vacuolo e tanti cloroplasti (si riconoscono perché hanno membrane interne che sono il sistema tilacoidale).

Riassumiamo

• Vacuolizzazione centrale: unico grande vacuolo centrale (la troviamo nelle cellule parenchimatiche che costituiscono il mesofillo fogliare, parenchimi acquiferi, parenchimi dei frutti, cellule epidermiche, cellule ad accrescimento apicale).
• Vacuolizzazione diffusa: numerosi piccoli vacuoli distribuiti uniformemente nel citosol (cellule meristematiche, cellule parenchimatiche dello xilema e del floema, cellule del periciclo -> strato di cellule che delimita internamente la corteccia, cellule secretici).

Alcune cellule possono avere sia la vacuolarizzazione centrale sia la vacuolarizzazione diffusa in periodi differenti, oppure in risposta a degli stimoli. Alcune cellule meristematiche, per esempio le cellule meristematiche del cambio cribro-vascolare (saranno cellule meristematiche che produrranno lo xilema e il floema secondario, cioè quello che permetterà alle piante erbacee di diventare legnose) producono xilema e floema durante la primavera e l'estate. Durante questo periodo hanno una vacuolarizzazione centrale; durante l'inverno, quando sono metabolicamente inattive, hanno una vacuolarizzazione diffusa. Altre cellule rispondono a stimoli e cambiano la loro vacuolarizzazione anche in tempi brevissimi da una vacuolarizzazione diffusa a una centrale e viceversa.

Ad esempio, la Bizia o la Mimosa pudica si chiudono al semplice tocco perché esistono delle regioni chiamate pulveri, che sono sensibili al tocco. All'interno dei pulvini, le cellule motrici, nel momento in cui vengono toccate, passano da una vacuolarizzazione centrale a una vacuolarizzazione diffusa, permettendo il movimento rapido di chiusura. Questi movimenti si chiamano movimenti nastici. Alcuni movimenti nastici sono sensibili a stimoli esterni, altri hanno un ritmo circadiano (giorno/notte).

Transizione tra vacuolarizzazione centrale e diffusa

Cosa succede se si passa da una vacuolarizzazione centrale a una vacuolarizzazione diffusa? Il vacuolo perde acqua, mentre per passare da una vacuolarizzazione diffusa a una centrale il vacuolo assorbe acqua. E perché assorbendo o cedendo acqua parti della pianta si muovono? Perché perdono turgore; il vacuolo è responsabile del turgore cellulare. Quando innaffiamo le piante, queste sono erette; se ci dimentichiamo di dare l'acqua per qualche giorno, si abbattono. Questo avviene perché le cellule perdono turgore.

Movimenti nastici guidati da transizioni da una vacuolarizzazione centrata a una diffusa e viceversa, sono anche ciò che permette alle piante carnivore di effettuare movimenti estremamente rapidi per catturare le prede.

Piante carnivore

Perché le piante carnivore si mangiano gli insetti? Le piante carnivore sono piante adattate a terreni estremamente carenti di azoto. Quindi prendono l'azoto dalle proteine degli animali e le digeriscono.

Il tonoplasto

Il tonoplasto è una membrana lipoproteica, asimmetrica (le proteine possono essere disposte in modo differente all'interno e all'esterno del tonoplasto) e ha uno spessore di 7-10 nm. Le proteine sono maggiormente presenti nella parte rivolta verso il citosol rispetto a quelle presenti all'interno del lume. È costituita da fosfolipidi, che rappresentano dei componenti minoritari, è ricca di glicolipidi (galattolipidi e glucocerebrosidi) e steroli.

Contiene tante proteine, responsabili della funzionalità del tonoplasto, quindi ci saranno:

• Pompe protoniche (H+ atpasi e H+ pirofosfatasi);
• Proteine carrier e proteine canale di diverso tipo perché all'interno di questo organello si possono accumulare tanti ioni organici e inorganici, proteine, sostanze di rifiuto, sostanze di riserva... tutte queste cose devono essere portate all'interno del vacuolo;
• Enzimi coinvolti in reazioni di ossido riduzione;
• Enzimi coinvolti in vie metaboliche.

La maggior parte delle proteine del tonoplasto sono glicosilate e la glicosilazione è rivolta sempre verso il lume del vacuolo stesso. Le proteine presenti sul plasmalemma, quelle glicosilate, rivolgono i gruppi oligosaccaridi verso l'esterno, verso l'apoplasto. Le proteine che fanno parte del tonoplasto si rivolgono verso l'interno del vacuolo. Questo fa capire che l'interno del vacuolo è assimilabile all'esterno della cellula vegetale, perché ciò che sta all'interno del vacuolo viene confinato come se fosse stato buttato all'esterno. Ed è per questo che il vacuolo può contenere sostanze di rifiuto. Se il vacuolo si fonde con il plasmalemma, riversa tutto il suo contenuto all'esterno; questa fusione è il meccanismo di difesa delle piante contro organismi patogeni.

In questo schema vediamo quali sono le principali proteine presenti sul tonoplasto:

• H+ atpasi di tipo V -> utilizzano l'ATP citosolico per pompare protoni all'interno del vacuolo, i quali acidificano il vacuolo;
• H+ pirofosfatasi di tipo V -> idrolizza il pirofosfato per portare all'interno protoni;
• ABC transporter queste proteine sono delle po...