Biologia Vegetale

IL VACUOLO E L’ESPANSIONE DELLA CELLULA VEGETALE

La membrana plasmatica controlla il movimento di soluti da e verso la

cellula: La membrana plasmatica definisce il confine della cellula,

delimitandone l’ambiente interno nel quale avvengono tutte le sue attività

metaboliche. La membrana è selettivamente permeabile, una proprietà in base

alla quale la cellula riesce a controllare i movimenti di entrata e uscita

dell’acqua, dei soluti inorganici e dei metaboliti.

Le differenze tra l’interno e l’esterno della cellula (cioè i gradienti a cavallo

della membrana) di potenziale osmotico, potenziale elettrico e pH sono

mantenuti tramite il movimento di soluti specifici attraverso la membrana. Tra

le molecole secrete dalla cellula attraverso la membrana plasmatica vi sono

componenti della parete cellulare, composti di difesa che allontanano o

disattivano potenziali patogeni, e molecole che facilitano l’assorbimento di

minerali. I segnali esterni recepiti a livello della membrana plasmatica

comprendono ormoni vegetali e molecole secrete dai patogeni. I segnali sono

(cerchieto verde)

percepiti da proteine recettrici inclusi nel doppio strato

lipidico. Le piccole molecole attraversano la membrana in parte per diffusione

attraverso il doppio strato lipidico, ma soprattutto attraverso specifici canali e

proteine di trasporto, anch’essi inclusi nel doppio strato lipidico. Le molecole

grandi (quali le proteine e i polimeri di carboidrati) normalmente attraversano

la membrana mediante la fusione di vescicole con la membrana stessa, a cui

segue il rilascio del loro contenuto all’esterno della cellula.

La pompa protonica della membrana plasmatica è il cuore del sistema

di trasporto: Le pompe protoniche, chiamate anche trasportatori di protoni,

sono di gran lunga le pompe più importanti presenti nella membrana

plasmatica vegetale e sono costituite da proteine che attraversano la

membrana da parte a parte. Esse idrolizzano, sulla faccia interna della

membrana, il legame fosforico terminale, ricco di energia, dell’ATP producendo

ADP e fosfato. L’energia liberata dalla scissione di questo legame viene

utilizzata per trasportare gli ioni H dall’interno della cellula all’esterno.

+

La pompa esporta protoni fuori dalla cellula, sfruttando l’energia fornita

dall’idolisi dell’ATP. La rimozione dei protoni dal citosol mantiene un pH

citosolico relativamente alto e una carica negativa sulla faccia interna della

membrana; inoltre mantiene un ambiente acido nella parete cellulare. La

pompa è attivata dall’accumulo di protoni (cioè una caduta del pH) nel citosol e

dell’auxina, un fitormone.

Trasportatori e canali permettono il movimento di ioni attraverso la

membrana plasmatica: Il gradiente protonico e il potenziale di membrana

forniscono la forza motrice che muove attraverso la membrana plasmatica

molte altre sostanze dotate o meno di carica elettrica. Due tipi di proteine di

trasporto sono coinvolti in questi movimenti: i trasportatori che utilizzano il

gradiente di H per muovere un’altra sostanza, e i canali che consentono il

+

flusso passivo di ioni attraverso la membrana secondo il gradiente del

potenziale elettrico. (a sinistra)

La pompa protonica genera nella membrana un gradiente di

concentrazione di potassio e un potenziale elettrico. Specifiche proteine di

trasporto forniscono un percorso per il flusso passivo di protoni che ritornano

nella cellula seguendo il gradiente di concentrazione, e accoppiano questo

flusso di protoni al trasporto di ioni all’interno o all’esterno ella cellula. Le

proteine dei canali formano pori che consentono il flusso di ioni verso l’interno

della cellula in risposta alla differenza di potenziale elettrico transmembrana.

Il movimento dell’acqua attraverso la membrana plasmatica crea un

potenziale idrico: L’acqua si muove per osmosi dall’ambiente esterno alla

cellula che è povero di soluti all’ambiente interno della cellula di norma più

ricco di soluti. L’acqua può attraversare la membrana plasmatica sia per

diffusione nel doppio strato lipidico sia passando attraverso pori specifici per

l’acqua formati da proteine chiamate acquaporine. In entrambi i casi si tratta

di movimenti “passivi”, che non richiedono cioè energia.

L’acqua attraversa la membrana plasmatica in due modi: per semplice

diffusione e per diffusione attraverso i canali di acquaporine.

Pressione di turgore, potenziale di acqua e osmosi: I diagrammi

rappresentano la stessa sequenza di eventi (A) in un protoplasto (cellula

senza parete cellulare) e (B) in una cellula intatta (protoplasto circondato da

parete cellulare). (A) I soluti entrano nel protoplasto attraverso canali e

proteine di trasporto, un movimento sostenuto principalmente dall’efflusso di

protoni dovuto alla pompa protonica. L’accumulo di soluti all’interno del

protoplasto induce il suo potenziale d’acqua e causa un movimento di acqua

verso l’interno per osmosi. In assenza della parete cellulare, il protoplasto si

gonfia come un pallone, assumendo una forma sferica.

(B) Nella cellula intatta, quando il protoplasto non esercita una pressione contro

(a sinistra),

la parete si dice che è “plasmolizzato” e la pressione di turgore

della cellula è zero. Quando i soluti entrano nella cellula, riducendo il potenziale

d’acqua e causando il movimento osmotico dell’acqua verso l’interno, il

(a destra).

protoplasto comincia a rigonfiarsi La sua espansione è contrastata

dalla parete cellulare e ciò porta a una crescente pressione di turgore.

L’espansione delle cellule vegetali dipende dalla parete e dalla

pressione di turgore: La distensione cellulare implica l’integrazione tra

l’assorbimento di acqua dovuto all’osmosi (che produce la pressione di turgore)

e il rilassamento della struttura della parete cellulare, associato all’addizione

entro la parete di nuovo materiale della matrice.

(a sinistra),

In una cellula che non si espande la pressione di turgore è elevata

e il movimento netto di acqua per osmosi verso l’interno risulta inibito. La

(al centro),

pressione di turgore allora distende la parete rilassata causando

l’assottigliamento della parete stessa e l’espansione della cellula. Ciò riduce la

(a destra),

pressione di turgore; a questo punto affluisce più acqua alla cellula e

la pressione di turgore aumenta nuovamente. La parete torna ad aumentare di

spessore mediante la deposizione di nuovo materiale.

Il vacuolo è l’organello che controlla il movimento di soluti dalla

cellula e quindi il potenziale idrico: L’ingresso dell’acqua nel vacuolo

attraverso il tonoplasto è indotto dall’accumulo di soluti al suo interno,

accumulo che determina l’instaurarsi di una differenza di potenziale d’acqua

tra il citosol e il vacuolo stesso. I soluti sono trasportati attivamente dal citosol

al vacuolo lungo un gradiente protonico e un potenziale elettrico, che si

stabiliscono grazie all’azione di due tipi di pompa protonica. Una di queste

pompe usa l’anergia proveniente dall’idrolisi dell’ATP, l’altra usa l’energia

proveniente dall’idrolisi del pirofosfato inorganico.

Il movimento dei soluti è sostenuto dalle pompe protoniche del tonoplasto, che

usano l’energia derivata dall’idrolisi dell’ATP, o del pirofosfato inorgnico (PP ),

i

per muovere i protoni contro il gradiente di concentrazione, dal citosol al

vacuolo. Si crea così un gradiente di protoni e un potenziale di membrana tra le

due facce del tonoplasto. In questo modo i contenuti vacuolari sono

tipicamente più acidi di quelli del citosol e hanno una carica più positiva. Anioni

quali il nitrato e il cloruro (entrambi importati attraverso la membrana

plasmatica) e il malato (sintetizzato nel citosol) si muovono dal citosol

all’interno del vacuolo in risposta al gradiente elettrochimico. Molecole prive di

carica elettrica come il saccarosio e gli esosi (glucosio e fruttosio) entrano

mediante trasportatori (antiporti) che usano il flusso passivo di protoni dal

vacuolo al citosol, lungo il gradiente di concentrazione protonico. L’accumulo di

soluti nel vacuolo abbassa il suo potenziale d’acqua, mentre promuove

l’entrata di acqua attraverso le acquaporine e per diffusione passiva attraverso

il doppio strato lipidico.

I molteplici ruoli del vacuolo: Il vacuolo è un organello cellulare delimitato

da una particolare membrana: il tonoplasto (membrana particolarmente

selettiva). Il vacuolo è il principale regolatore di scambi di soluti ed acqua della

cellula. Ad una grande semplicità strutturale si contrappone però nel vacuolo

una molteplicità di funzioni:

1- Funzione di riserva; il vacuolo può contenere carboidrati, grassi e

proteine.

2- Funzione vessillare; il vacuolo può contenere pigmenti colorati che

conferiscono quindi colore ai petali o ai frutti.

3- Funzione osmotica; il vacuolo, variando la concentrazione del succo

vacuolare, influenza il movimento osmotico dell’acqua tra l’interno e

l’esterno della cellula. Regola il turgore cellulare che a sua volta

determina l’accrescimento cellulare e il sostegno di organi giovani.

4- Funzione “digestiva”; il vacuolo può contenere enzimi litici in grado di

scindere grosse molecole o interi organelli.

5- Funzione di accumulo di cataboliti; i vacuoli vegetali sono molto

simili alle vescicole animali, ma sono di dimensioni maggiore, e svolgono

numerose funzioni, tra cui, principalmente, quella di riserva, di acqua e di

altre sostanze in essa disciolte o variamente disperse.

Le cellule guardia deli stomi: un modello per studiare la variazione

della pressione di turgore: L’apertura degli stomi dipende dall’attività di una

pompa protonica attivata dalla luce blu, che crea una considerevole differenza

di potenziale elettrico tra le due facce della membrana plasmatica; cioè viene

generata una forza capace di muovere la cellula. Il successivo ingresso di ioni

potassio permette anche l’ingresso di soluti ed acqua. Aumenta così la forza di

turgore modificando la forma della cellula tanto da provocare l’apertura del

poro.

(A) La luce blu attiva una pompa protonica; da ciò si sviluppa un grande

potenziale di membrana. Questo attiva un canale del potassio, che consente un

afflusso di ioni potassio entro la cellula. Il flusso in entrata di K è

+

accompagnato da un afflusso nel citosol di ioni cloruro (Cl ) e dalla sintesi di

-

malato, un anione organico. L’aumento netto della concentrazione di soluti

causa un afflusso d’acqua che determina un