Citobiologia vegetale

Citobiologia vegetale

Lo studio della cellula vegetale

Le piante sono essenziali per la nostra vita poiché sono alla base della catena alimentare e poiché producono ossigeno. Le cellule vegetali furono le prime ad essere osservate poiché sono più grandi delle cellule animali e sono visibili con un ingrandimento minore. Anche i primi studi sulla trasmissione dei caratteri genetici derivano da incroci tra piante. In particolare, fu Robert Hooke nel 1665 che, osservando con il primo microscopio rudimentale una sottile scheggia di sughero, si accorse che essa appariva composta da tante piccole celle, cioè da tante cellule. Molte scoperte fatte nelle cellule vegetali si sono rivelate fondamentali per tutta la biologia: il nucleo, i geni, le chaperonine, i virus, gli elementi trasponibili, l'apoptosi, gli ormoni gassosi. Un ormone gassoso molto importante è l'etilene, che è in grado di innescare la maturazione della frutta. Per cui, ponendo la frutta acerba in un cesto, per farla maturare basta un frutto maturo, poiché l'etilene in esso presente è un ormone gassoso.

Le cellule vegetali sono nate prima delle cellule animali, per cui sono state colpite di più da eventi e, non potendo scappare, si sono evolute di più nel tempo delle cellule animali, sviluppando dei meccanismi di difesa più raffinati per resistere a stress biotici (come gli animali) e abiotici (come le condizioni climatiche). Quindi, la nostra visione antropomorfa è sbagliata e sarebbe opportuno investire più fondi nello studio delle cellule vegetali. Le cellule sono i "mattoni" con cui sono costruiti tutti gli organismi viventi e in particolare le cellule vegetali sono entità altamente dinamiche, che rispondono continuamente a stimoli endogeni ed ambientali, sia biotici che abiotici. Anche la parete è una struttura dinamica e viene sempre modificata fino alla morte della cellula.

Le cellule vegetali, essendo cellule eucariotiche, possiedono numerosissimi compartimenti membranosi, cioè vari organelli con una individualità strutturale e funzionale, che hanno quindi funzioni diversificate. Una caratteristica importante della membrana nucleare è che possiede i pori nucleari ed è in continuità con la membrana del RER, su cui sono presenti i ribosomi. I centrioli presenti nelle cellule vegetali sono diversi da quelli presenti nelle cellule animali, poiché nelle cellule animali sono costituiti da un corpicino e da una sostanza amorfa, mentre nelle cellule vegetali non ci sono dei veri e propri centrioli ma solo la sostanza amorfa.

Il sistema di secrezione

Nonostante gli organelli possiedano una propria individualità, alcuni di loro sono connessi spazialmente e strutturalmente da un flusso di materiale continuo, per cui fanno parte del "sistema di endomembrane" o "sistema di secrezione". Nello specifico, il sistema di secrezione comprende la maggior parte delle endomembrane, cioè la maggior parte degli organelli delimitati da membrana propri delle cellule vegetali e delle cellule animali: apparato di Golgi, RE, vacuolo (lisosoma per le cellule animali) ed anche membrana e parete. Il sistema di secrezione non comprende invece: mitocondri, plastidi, nucleo e proteine in esso contenute, perossisomi (presenti nelle cellule animali e vegetali ed importanti per eliminare il perossido di idrogeno dannoso per le cellule).

Il sistema di secrezione si occupa di sintesi, trasporto e accumulo di una vasta gamma di molecole: proteine e glicoproteine, carboidrati, lipidi e metaboliti secondari (glicosidi, alcaloidi, terpeni e tannini). Si tratta cioè di sostanze di interesse agro-alimentare e per questo il biologo deve conoscere i meccanismi che portano alla loro sintesi ed accumulo. Le vescicole rappresentano solo il mezzo mediante il quale le molecole rielaborate nel RE e nell'apparato di Golgi vengono trasportate, cioè le vescicole danno la continuità spaziale e strutturale di questi organelli. Quindi dagli organelli di secrezione partono le vescicole che, fondendosi con l'organello successivo, arrivano all'esterno della cellula ed esiste perciò una relazione tra spazio interno degli organelli della via di secrezione ed esterno della cellula. In altre parole, cicli di gemmazione e di fusione di membrane permettono al lume di tutti gli organelli del sistema di secrezione di comunicare tra loro e con l'esterno della cellula.

È stato stimato che circa il 16-18% del genoma di una pianta vascolare sia dedicato a codificare proteine coinvolte nel sistema di secrezione. Ma quando parliamo di sistema di secrezione non ci riferiamo solo alle proteine che vengono secrete, ma anche alle proteine che sono destinate alla parete, alla membrana, all'apparato di Golgi, al RE o al vacuolo/lisosoma. Il sistema di secrezione rappresenta anche un sistema potenzialmente utilizzabile per la produzione a basso costo di prodotti nutraceutici e farmaceutici, utili per uomo e animali.

Ovviamente le ricerche su questi prodotti utilizzando gli animali hanno regole stringenti e rigorose, che ovviamente non valgono per ricerche condotte sui vegetali. E poiché il sistema di secrezione delle cellule vegetali è simile a quello delle cellule animali, sarebbe più semplice utilizzare le cellule vegetali come "fattorie molecolari", per produrre vaccini, proteine, ecc.

Le proteine sono facili da studiare a differenza dei polisaccaridi. Quando si studiano le proteine infatti si parte dallo stampo di mRNA o ancora più a monte dallo stampo di DNA, che può essere anche modificato. Per questo risulta facile sintetizzare in vitro le proteine o marcarle per osservare il percorso che intraprendono nella via di secrezione. La sintesi in vitro dei polisaccaridi ad alto grado di polimerizzazione risulta invece complessa (il grado di polimerizzazione è il numero di residui glicosidici che formano il polisaccaride). Questo perché gli enzimi che sintetizzano i polisaccaridi, cioè le glicosiltrasferasi, fanno tutto da sole senza utilizzare uno stampo ed i meccanismi di controllo che intervengono nella sintesi dei polisaccaridi non sono noti. Ed è per questo che in vitro non possiamo sintetizzare i polisaccaridi ad alto grado di polimerizzazione come lo xiloglucano o la cellulosa (fatta da più unità di glucosio tenute insieme da un legame β-1,4-glicosidico).

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico (RE) è costituito da un labirinto reticolare di tubuli ramificati e di sacculi appiattiti che si interconnettono tra loro e si estendono per tutto il citosol. La membrana del RE è la più estesa in cellule vegetali ed animali ed è in continuità con la membrana nucleare esterna. Il RE, come tutti gli organelli, ha elevata dinamicità, adattabilità e versatilità (versatilità anche maggiore rispetto a quella degli altri organelli). Lo sviluppo e la morfologia del RE dipendono dal tipo di tessuto, dal differenziamento e dal metabolismo cellulare.

Come esempio riportiamo la cuffia, ovvero una struttura della radice che ricopre l'apice radicale. La cuffia serve a proteggere l'apice radicale e a facilitare la penetrazione della radice nel terreno, grazie allo sfaldamento delle cellule più esterne che rilasciano lo slime o mucigel, ovvero una sostanza mucillaginosa costituita da glicoproteine e sostanze pectinosimili sintetizzate nel RE e rilasciate dalla parete delle cellule sfaldate, che legano l'acqua e facilitano la penetrazione della radice. Proprio per il fatto che la cuffia ha questa funzione, il RE e la via di secrezione sono più sviluppati nelle cellule della cuffia e meno nelle cellule parenchimatiche della radice.

La dinamica del RE nelle piante è strettamente dipendente dal citoscheletro ed in particolare dal sistema di actinomiosina (filamenti di actina o microfilamenti). Infatti, utilizzando un inibitore a cui sono sensibili questi microfilamenti detto Citocalasina D, si verifica una riduzione della motilità del RE. Questo dimostra che il RE è correlato alla funzionalità dei microfilamenti. Il RE diventa particolarmente abbondante durante specifici eventi del differenziamento.

• Formazione della parete cellulare, poiché è implicato nella sintesi delle glicoproteine.
• Differenziamento delle cellule di guardia degli stomi, cioè le cellule che regolano apertura e chiusura degli stomi. A livello della parete delle cellule di guardia sono presenti cutina e cuticola, che la inspessiscono in modo ineguale (più sottile esternamente e più spessa in prossimità della rima).
• Differenziamento degli articoli dei tubi cribrosi, ovvero le cellule di conduzione presenti nel floema.
• Differenziamento della cuffia.

Cellule specializzate nella secrezione di particolari prodotti del metabolismo hanno un abbondante RE. Tra esse abbiamo:

• Cellule del tappeto dell'antera. Le antere sono componenti dello stame. Gli stami sono gli organi sessuali maschili e ciascuno di esso è fatto da un filamento e dall'antera. L'antera è importante poiché al suo interno sono presenti cellule che differenziano dette microsporofiti che contengono il polline. Le antere sono particolarmente grandi nelle Liliaceae (famiglia).
• Cellule del parenchima di riserva dei cotiledoni e dell'endosperma. Il seme è costituito dall'embrione (con radichetta e plumula = parte aerea che darà origine al fusto), da tegumenti protettivi e da tessuti di riserva (endosperma e/o cotiledoni). L'endosperma può essere presente durante lo sviluppo o può essere assorbito dai cotiledoni, che quindi diventano la principale fonte di nutrimento durante lo sviluppo. L'endosperma si trova ad esempio nel mais e nel frumento ed accumula riserve amidacee, quindi carboidrati (si parla di endosperma amidaceo). L'amido è accumulato e sintetizzato negli amiloplasti ed è fondamentale per l'alimentazione, poiché fornisce energia sotto forma di carboidrati rilasciati lentamente e quindi digeribili (come per pane e pasta, ricchi di carboidrati). I cotiledoni sono le foglioline embrionali che fanno parte dei semi ed esistono 2 tipi di piante: monocotiledoni e dicotiledoni. Tra le piante dicotiledoni abbiamo fagioli, ceci, lenticchie, ecc. (il seme si apre in 2); tra le piante monocotiledoni abbiamo mais, riso, grano, frumento, orzo.

Nei cotiledoni prevalgono riserve proteiche e lipidiche. Infatti, i legumi contengono molte proteine vegetali sintetizzate nel RE ed accumulate nel vacuolo. I semi inoltre possono essere suddivisi in epigei ed ipogei. Nei semi epigei, come il fagiolo, i cotiledoni fuoriescono dal terreno e si sviluppa l'ipocotile (porzione compresa tra radichetta e cotiledoni) e poi l'epicotile (porzione compresa tra i cotiledoni e le prime foglie vere); nei semi ipogei i cotiledoni non fuoriescono dal terreno e si sviluppa solo l'epicotile. Poi abbiamo semi come nocciole, mandorle e pistacchi che sono ricchi di riserve oleaginose, cioè accumulano lipidi. I lipidi forniscono energia più lentamente rispetto all'amido e sono più accumulabili nell'organismo. Inoltre, la frutta secca è ricca di sostanze antiossidanti, per cui serve a combattere i radicali liberi, a frenare l'invecchiamento cellulare, a mantenere l'integrità delle membrane e a prevenire malattie cardiovascolari (soprattutto i pistacchi sono importanti per la salvaguardia del cuore).

Molto importante è anche l'olio d'oliva, poiché alcune vitamine sono assimilate dal nostro organismo solo se si trovano disciolte in oli. Complessivamente possiamo dire che i vegetali sono alla base dell'alimentazione, poiché forniscono carboidrati, lipidi e proteine e le proteine sono mattoncini fondamentali per il nostro organismo, poiché vengono idrolizzate per ricavare gli amminoacidi da utilizzare per la sintesi delle nostre proteine.

Tuttavia, molte proteine vegetali sono povere di amminoacidi essenziali, fondamentali per la crescita degli animali (soprattutto per le prime fasi di crescita). Per questo la dieta mediterranea, che è una dieta equilibrata, prevede di mangiare sia legumi (come ceci e fagioli) che pasta, poiché nei semi amidacei ci sono proteine con amminoacidi essenziali e combinando i due alimenti si ottiene un'alimentazione ottimale.

Un problema importante è l'intolleranza al glutine. Il glutine è una miscela proteica formata prevalentemente da gliadina e glutenina (proteine dell'endosperma cellulare) che si forma durante l'impasto di farine di cereali con l'acqua, dando origine ad una massa viscoelastica tipica della panificazione/pastificazione, che non si rompe proprio per l'elasticità di queste proteine. Per produrre il pane si utilizza il grano tenero, mentre per produrre la pasta si utilizza il grano duro. Anche se pane e pasta non sono diffusi in tutto il mondo, in ogni alimentazione ci sono dei derivati della farina, che garantiscono un apporto di carboidrati e che sono quindi ottenuti con farina, acqua e lievito (in quantità variabili).

Cellule ghiandolari secernenti proteine, lipidi, mucillagini (presenti ad esempio nell'oleandro). La secrezione di lipidi è più accentuata nel REL rispetto al RER. In particolare, il REL è chiamato RE periplastidale, poiché interagisce con i plastidi ed entrambi gli organuli collaborano per la sintesi lipidica.

Il RE possiede la membrana più diffusa nella cellula ed è costituito da un sistema di tubuli e cisterne (più tubuli o più cisterne) con decorso parallelo che si estendono dalla zona corticale, cioè a ridosso della membrana plasmatica (RE corticale), fino ad arrivare nella regione del RE che è a stretto contatto ed in continuità con la membrana nucleare (RE citoplasmatico). Il RE corticale, strettamente associato con la membrana plasmatica, è situato nel citoplasma periferico. Il RE è stabilizzato nella zona corticale grazie alla presenza dei plasmodesmi, che si formano durante la genesi della parete e sono dei canali lineari che mettono in continuità il citoplasma di due cellule vegetali adiacenti e che sono delimitati dalla membrana plasmatica delle due cellule adiacenti. Inoltre, all'interno del plasmodesma è presente una componente assiale detta desmotubulo, costituita da frammenti di RE delle due cellule adiacenti che restano intrappolati. Il desmotubulo ha funzioni diverse rispetto a quelle classiche del RE. Inoltre, la membrana plasmatica, che avvolge il plasmodesma, e il desmotubulo sono tappezzati da proteine che possono cambiare conformazione, causando l'apertura o chiusura del plasmodesma. Il dominio di citoplasma comune alle due cellule adiacenti, contenuto nel plasmodesma, prende il nome di simplasto. Il simplasto si contrappone all'apoplasto che è invece l'insieme di pareti che sono in continuità. Quindi, il reticolo endoplasmatico entra in relazione con tutti gli organelli e attraversa la parete in corrispondenza dei plasmodesmi.

Il RE svolge molte funzioni differenti:

• Sintesi, processing e sorting delle proteine. La sintesi delle proteine avviene nel RER. Il processing indica il fatto che il RE processa le proteine attraverso glicosilazione, formazione di ponti disolfuro, acquisizione della conformazione tridimensionale della proteina, ecc. In particolare, la glicosilazione è un evento del processing che avviene nel RE e consiste nell'aggiunta di residui glicosidici alle proteine, ovvero monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi (fino a 8-11 residui) o polisaccaridi (più di 11 residui) costituiti da tutti i tipi di zucchero e non solo dal glucosio. Il sorting indica l'invio delle proteine in altri compartimenti attraverso le vescicole, che non sono prodotte dal RE ma sono solo il mezzo di trasporto delle proteine. Quindi le proteine prodotte nel RE sono inviate sulla membrana plasmatica, sul Golgi, in parete, sul tonoplasto o nel succo vacuolare.
• Sintesi dei fosfolipidi e steroidi (faccia citosolica) in compartecipazione con i plastidi.
• Regola l'omeostasi del calcio, attraverso l'accumulo di ioni Ca⁺⁺ nel lumen o il loro rilascio nel citosol. Il calcio è il responsabile del controllo di molti eventi: attività del citoscheletro, polimerizzazione dell'actina e della tubulina, fusione delle vescicole, ecc. e per questo è un sorvegliato speciale. In particolare, il livello del calcio negli animali è controllato dal RE, mentre nelle piante è controllato in maniera rapida sia dal RE che dai vacuoli. Tuttavia, nelle piante intervengono anche plastidi, mitocondri e parete, che regolano in maniera più lenta i livelli di calcio. In particolare, quando entrano in crisi RE e vacuolo, il calcio viene accumulato in parete attraverso la demetilazione delle pectine che determina la formazione di ponti di calcio.

Il RE è la membrana più estesa nelle cellule vegetali e nelle cellule animali ed è strettamente associato con tutti gli altri organuli intracellulari (plasmalemma, plastidi, apparato di Golgi, vacuoli, mitocondri, perossisomi, endosomi e lisosomi). Il RE possiede porzioni specializzate per le interazioni con gli organelli, che prendono il nome di domini funzionali (siti di contatto). Staehelin ha descritto 16 domini del RE in base alle caratteristiche morfologiche e funzionali. Molti di questi domini hanno una natura labile e transiente e possono essere visualizzati solo attraverso tecniche di fissazione con congelamento ultrarapido, mentre altri domini sono permanenti.