Appunti sul Vacuolo

Che cos’è il vacuolo?

Il termine vacuolo fu inventato a metà dell’800 da uno studioso, un microscopista, e

osservava delle piccole vescicole che si formavano in alcuni protozoi acquatici e

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) che viene chiamata tonoplasto. All’interno

del tonoplasto è presente una soluzione che può avere il pH che va da acido (anche

estremamente acido) fino alla neutralità o leggera basicità.

Esistono diversi tipi di vacuoli: nei vacuoli litici il pH è solitamente acido, nei vacuoli di

riserva il pH è solitamente neuro o leggermente basico.

Come si formano i 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,

Golgi Endoplasmatic

questa ipotesi veniva chiamata ipotesi di formazione gerl (

Reticule 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 che

sono deputate 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 in contro 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 Vacuolo

cellula adula un grosso vacuolo centrale che può essere centrale

anche unico.

In questo caso si parla di vacuolarizzazione centrale.

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

A B

PARENCHIMA: tessuto di riempimento che possono avere tante funzioni, come

quella di fotosintetizzare, accumulare amido, creare degli spazi intercellulari, …

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

caratterizzati 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

secretrici).

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 che basta toccarle e

si chiudono, perchè esistono delle regioni che si chiamano pulvini 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 e

permettono 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).

Cosa succede se si passa da una vacuolarizzazione centrale a una vacuolarizzazione

diffusa?

Il vacuolo perde acqua, 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 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 quello che permettono alle

piante carnivore di effettuare movimenti

estremamente rapidi per catturare le prede.

Perché le piante carnivore si mangiano gli

insetti?

Le piante carnivore sono piante adattate a

terreni estremamente carenti di azoto. Quindi

prendo l’azoto dalle proteine degli animali e le

digeriscono.

Il tonoplasto è una membrana lipoproteica, asimmetrica (le proteine possono essere

disposte in modo differente all’interno e all’esterno del tonoplasto) ha uno spessore di

7-10 nm e 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