Fisiologia Vegetale (professoressa Gonnelli)

Fisiologia vegetale

Nella cellula vegetale, ritroviamo gli organuli che sono presenti nella cellula animale, ma in più troviamo i cloroplasti, la parete cellulare e i vacuoli. Come sono organizzati questi organuli? C’è la parete, poi la membrana, e il vacuolo che occupa il 97%, per avere un giusto rapporto tra volume di citosol e membrana plasmatica stessa. Le cellule vegetali sono tutte in comunicazioni tra loro, che visivamente sono delle discontinuità, tra cellule e cellule, della parete, attraversate da ponti citoplasmatici che prendono il nome di plasmodesmi.

La parete cellulare

La parete cellulare è spesso associata a una struttura inerte che ha la sola funzione di dare protezione e resistenza alla cellula stessa. Possiede un sacco di funzioni:

• Controllo della crescita
• Supporto strutturale e meccanico
• Resistenza alla pressione di turgore interna
• Regolazione della diffusione delle sostanze attraverso l'apoplasto
• Fonte di molecole segnale biologicamente attive
• Interazioni cellula-cellula
• Protezione da patogeni, deidratazione ed altri fattori ambientali

Riusciamo a vederla al microscopio elettronico, infatti vediamo che tra due cellule abbiamo la lamella mediana, poi la parete primaria, e la parete secondaria. È fatta da tante molecole assemblate tra loro, infatti è molto eterogenea come molecole. Queste si assemblano tra loro.

Composizione principale della parete primaria

Abbiamo una fase microfibrillare, che è la cellulosa (polimero del Beta-glucosio). Per formare il legame glicosidico, il glucosio successivo si deve ribaltare di 180°, per avere gli OH dalla stessa parte e in questo modo la molecola diventa rettilinea. Poi tali strutture rettilinee si compattano tra loro per formare strutture più grandi, quindi tante fibrille di cellulosa si compattano fra di se in strutture più grandi, classico esempio del cemento armato, matrice con dentro i tubi di ferro.

Stereochimica della cellulosa

I vari monomeri di glucosio sono messi a seggiola. La molecola di cellulosa è ricca di legami H (legami intermolecola), che si formano tra i vari OH e gli OH di altre fibrille, in modo che ogni molecola di cellulosa sia legata con le altre, ed è ciò che dà resistenza alla trazione alla molecola, ed è in questo modo che si organizzano le microfibrille, dall’interazione delle molecole di cellulosa vicine.

La matrice

Dove stanno queste fibrille? Stanno in una matrice, quindi sono immerse in una matrice. Tale matrice è fatta da più di una molecola, ci sono delle molecole simili alla cellulosa che si chiamano “Emicellulosa”, e altri polisaccaridi, che hanno questo nome strano “Sostanze pectiche”, proteine e altri tipi di sostanze come fenoli, amminoacidi, eccetera.

La matrice è la fase non cristallina (la cellulosa invece forma una specie di cristallo) quindi un’entità amorfa, in cui le fibrille di cellulosa stanno immerse.

Le emicellulose

Le emicellulose sono dei polimeri polisaccaridici eterogenei ramificati, che impediscono loro di stare impacchettati, quindi non sono impacchettati come la cellulosa nelle microfibrille, e hanno una disposizione specie-specifica, che vuol dire? Vuol dire che la cellulosa è uguale in tutte le piante, mentre le emicellulose variano, quindi ci sono piante che la fanno di un tipo e altre che la fanno di un altro tipo, quindi polimerizzando vari tipi di zuccheri, e a seconda della abbondanza relativa dello zucchero di cui sono fatti prendono nomi diversi, che dipendono da cosa prevale come monomero.

Nell’immagine ogni mattonino è uno zucchero diverso, ramificato ed è questa la struttura delle emicellulose. Perché emi? Perché sono simili alla cellulosa, perché sono comunque polimeri di zuccheri, ma sono ramificati e quindi non si impacchettano.

QVS: Nella matrice ci sono emicellulose, pectine e proteine.

Le pectine

Quindi le pectine sono sempre polisaccaridi, ma che zuccheri sono le pectine? Sono zuccheri particolari, perché derivano dalla polimerizzazione di uno zucchero acido, quindi uno zucchero con un gruppo carbossilico, l’acido galatturonico, che è il galattosio che possiede un gruppo carbossilico. Quando c’è il suffisso -uronico, significa che è uno zucchero ossidato.

Quindi chimicamente sono degli zuccheri acidi per via del gruppo carbossilico. Le pectine possono essere polimeri omogenei di questo acido galatturonico, quindi si possono chiamare “omogalatturonani”, oppure ci può essere anche un po’ di altra roba, per esempio un po’ di ramnosio, arabinosio, e quindi cambiano il nome un po’ a seconda dell’altro monomero di base che presentano.

Vediamo questo acido poligalatturonico, quando si polimerizza questo, con un legame glicosidico, che succede? Succede che ci sono questi gruppi carbossilici, e quindi la faccenda cambia parecchio, perché? Perché siamo nella parete e come vedremo, nella parete il pH può cambiare, può essere un pochino più acido o un pochino meno acido; il gruppo carbossilico, si protona o meno a seconda del pH.

Ma la presenza di questi gruppi acidi, cambia il pH, in quanto il gruppo carbossilico si protona a seconda del pH, se il pH è parecchio acido è protonato, se invece è un pochino più basico si dissocia e quando è dissociato ha una carica negativa, ed è questa la cosa estremamente importante da ricordare. Infatti a seconda che le pectine siano nella forma protonata o dissociata, a seconda del pH, che si trova nella parete, succede che possono formarsi legami salini tra due pectine adiacenti, attraverso dei legami (legami di coordinazione) con il calcio oppure magnesio, tra due molecole adiacenti.

Quando si formano questi legami tra due pectine adiacenti, assumono una forma strana, che assomiglia alla scatola delle uova, appunto prendono il nome di “EGG BOXE”.

CURIOSITÀ: Le pectine le troviamo nelle marmellate. Come mai sono importanti le pectine? Sono importanti in quanto donano REOSTASI alla parete, e quindi rendono più rigida la parete o più elastica. Quindi possono rendere la parete più o meno elastica.

Quando non si formano gli EGG box, quindi il pH è basso i gruppi carbossilici sono protonati e quindi non c’è possibilità di formare domini EGG BOX, le pectine non sono legate tra loro e la parete è più morbida, al contrario quando il pH è un po’ più basico, gli EGG BOX si formano e la parete diventa più rigida. Questa proprietà è fondamentale per far crescere le cellule quando ce ne è bisogno.

Qui si vede uno schema di tutti i componenti della parete visti fino ad ora. In questi schemi riconosciamo la cellulosa, le emicellulose adese a questi, le pectine in forma di EGG box e proteine, quindi c’è un assembramento tridimensionale di tutti i componenti, e quindi i legami diversi che si possono svolgere tra le diverse componenti, possono influire su quella che è la reostasi della parete, quindi rendere la parete più morbida oppure più rigida.

Le proteine nella parete cellulare

Molto brevemente: le proteine sono polimeri di amminoacidi. Gli amminoacidi sono molecole che possiedono un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, legati entrambi al carbonio. Si polimerizzano tra loro attraverso il legame peptidico, formando una catena di amminoacidi che si ripiega su se stessa, assumendo vari gradi di complessità. La struttura finale di una proteina detta la funzione della proteina. Infatti le proteine hanno un sacco di funzioni, questo è possibile grazie ai domini proteici, che sono regioni di proteine, che hanno una funzione.

OSSERVAZIONE: Le catene di amminoacidi acquistano struttura tridimensionale (folding!) specifica a seconda della loro sequenza: struttura I, II, III e IV delle proteine. Le proteine possono essere “strutturali” o avere attività enzimatica. Esempio di proteine strutturali: proteine del citoscheletro, proteine della parete, ecc. le proteine enzimatiche: Proteine che svolgono un lavoro: trasformano un substrato nel relativo prodotto (catalizzatori di reazioni chimiche!)

Le proteine della parete cellulare

Nella parete ci sono tante proteine che hanno ruoli diversi, cioè strutturali, come:

• La classe HRGp (proteine ricche in idrossiprolina (hydroxyproline-rich glycoproteins) con funzione di Cross link, per esempio la Espansina e la Estensina. La Espansina è coinvolta nella reostasi della parete, perché si lega alle emicellulose, in modo diverso e può far cambiare il modo in cui le emicellulose sono legate tra loro a seconda della necessità, se c’è da allentare o meno la parete, quindi la Espansina stessa avrà un sistema di sensing, di ciò che deve essere fatto, però legando in modo diverso queste emicellulose, le microfibrille di cellulosa si possono o avvicinare o allontanare e quindi la cellula può crescere. Un'altra proteina di questa classe è la Estensina, anche essa dona struttura e rigidità alla parete (struttura e difesa da patogeni).
• Ci troviamo poi tantissimi enzimi (Es: idrolasi (pectinasi, fosfatasi acide, chitinasi..), ossidasi (perossidasi, diamminossidasi..), eccetera) che hanno tante funzione diverse.
• E altre proteine ignote.

APPROFONDIMENTO: La reticolazione o Cross link è il processo mediante il quale le catene polimeriche vanno incontro ad una reazione che crea dei legami fra diverse catene (o eventualmente tra due punti diversi della stessa catena), a livello di gruppi funzionali reattivi. Questi legami possono essere di tipo covalente oppure ionico, quindi legami forti. Tali legami possono essere immaginati come le traversine di una ferrovia che collegano i binari (rappresentanti le catene polimeriche).

Biogenesi della parete cellulare

Come si forma la parete cellulare? In due modi diversi: la sintesi della cellulosa è a carico proteine di membrana “le rosette o cellulosa sintasi”, che sintetizzano direttamente in loco le fibrille cellulosa e che scorrono su microfilamenti citosolici di actina. Quindi la cellulosa viene deposta direttamente sulla parete, tutto il resto viene sintetizzato a livello del Golgi, e viene traslocato tramite vescicolazioni, che si fondono con il plasmalemma e depositata sulla parete e poi si assemblano fra di se.

IS: La parete cellulare viene sintetizzata dalla Cellulosa sintasi, presente sul plasmalemma che direttamente sintetizza nella parete le fibrille di cellulosa. Il Golgi invece secerne vescicole ricche di tutte le altre componenti e le riversa direttamente nella parete attraverso fusione delle vescicole con il plasmalemma.

Sono legati tra loro i componenti? Quando la parete si assembla vanno a caso o ci sono dei legami veri e propri tra le molecole che abbiamo visto? Ci sono dei legami che possono essere covalenti, i vari OH, che abbiamo visto essere presenti nelle cellulose, emicellulose, pectine e tutto il resto, possono essere legati tra loro attraverso sottrazione di una molecola di acqua, oppure non covalenti come ponti a H, o ponti salini calcio e magnesio (pectine per esempio), o legami idrofobici.

Tutte le varie componenti della parete sono assemblate tra di loro, quindi la situazione non è random ne nella matrice ne nella parete stessa, quindi anche la matrice ha una struttura ben precisa dove si inseriscono le microfibrille di cellulosa. Questa era la parte primaria.

La parete secondaria

Le cellule vegetali hanno la parete secondaria, ed è ciò che ha permesso alle piante di conquistare le terre emerse, infatti è presente la lignina, infatti permette alle piante di stare erette nella terra ferma, quindi dona resistenza a tensione e compressione, e quindi può stare in posizione verticale. La lignina è un composto idrofobico, quindi una volta deposta, la cellula muore, o meglio va incontro a morte cellulare programmata, perché la cellula è come si sigillasse dal resto del mondo, e quindi troviamo parete secondaria totalmente lignificate, quindi sono cellule differenziate e successivamente morte, come quelle del legno che rivedremo quando faremo la traslazione dell’acqua all’interno della pianta.

La lignina è un polimero eterogeneo, cioè è fatto da tante molecole diverse, polimerizzate tra di loro, però con tutti questi monomeri di vario tipo, si riconosce un monomero di base, che è il fenolo, infatti è un polimero eterogeneo a natura fenolica. I fenoli sono molecole fatte da benzene e sostituiti con gruppi OH. Comunque in generale tutti questi composti a base di fenolo, presentano molti gruppi OH, che possono essere utilizzati per fare legami e quindi costituire questo polimero altamente eterogeneo e legato in modo totalmente random, che è la lignina.

Infatti la polimerizzazione avviene per sottrazione di acqua tra i vari OH, in modo totalmente random fra tutti questi monomeri di base. La polimerizzazione degli alcol fenolici avviene grazie all’ossidazione, mediata da enzimi, dei componenti della lignina formando legami C-O-C o C-C.

Quindi la cellula produce la parete primaria, se deve poi anche lignificare produce anche la parete secondaria, in cui nel mezzo abbiamo la lignina. Quindi si capisce ora come è organizzata bene la parete.

Funzione di trasporto della parete e plasmodesmi

Le funzioni della parete le abbiamo viste un po’ prima, qui diciamo solo una cosa sul trasporto inter-cellulare, perché la parete cellulare concorre al trasporto tra le cellule. Per quanto riguarda il trasporto nelle cellule vegetali possiamo riconoscere:

• Una via apoplastica, l’apoplasto è il continuo di tutte le pareti: la parete possiede un sacco di OH quindi è idrofila, ci passa tutto ciò che è idrofilo (zuccheri, acqua, ioni minerali, alcuni ormoni...). e molecole gassose.
• La via simplastica è quella tra cellula e cellula, attraverso i plasmodesmi, quindi se una molecola deve passare attraverso questi ponti citoplasmatici, ci sarà un limite di esclusione dato dal diametro stesso del plasmodesma e infatti la via simplastica ha un limite di esclusione di 1 Kda (massima grandezza, mentre nella via apoplastica non c’è un limite di esclusione), quindi molecole più grandi non ci passano. Quindi fra cellula e cellula si scambiano ioni, piccole molecole organiche, amminoacidi lineari (quelli aromatici è difficile che passino), piccoli peptidi lineari, proteine virali, insomma tutto ciò che rispetta questo limite.

OSS: molecole più grandi non passano, mentre nella via apoplastica non c’è limite di esclusione.

Struttura dei plasmodesmi

Come è fatto un plasmodesma? Hanno il continium del plasmalemma, ma hanno anche il continium di un tubulo derivato da reticolo endoplasmatico, quindi che passa tra cellula e cellula (le cellule vegetali sono veramente tutte in continuo tra loro!) circondato da proteine, che possono essere contrattili, e che quindi regolano l’apertura e la chiusura, quindi ne regolano la dimensione e quindi il limite di esclusione, in questo modo le cellule vegetali sono tutte in comunicazioni tra loro. Le piante le possiamo immaginare come un organismo che ha la caratteristica di avere ogni cellula in comunicazione tra di loro.

CURIOSITÀ: Grazie alla parete:

• 460 milioni di anni fa la prima specie vegetale emerse dall’acqua.
• 420 milioni di anni fa, primo fossile di pianta, era solo parte aerea.
• 390 milioni di anni fa sviluppate le prime radici.

La cellula vegetale ed il potenziale di membrana

La membrana cellulare o plasmalemma

La cellula vegetale possiede anche essa un potenziale di membrana. Perché è bene che sia mantenuto un potenziale di membrana, perché ha un potenziale e a cosa gli serve alla cellula? Allora innanzitutto il potenziale di membrana serve ad un sacco di cose, però dobbiamo capire prima cosa è il potenziale di membrana, ma ancora prima bisogna parlare della membrana plasmatica.

Funzioni principali della membrana plasmatica

• Barriera di permeabilità e filtro selettivo
• Trasporto dei soluti
• Trasduzione del segnale
• Sintesi della parete
• Eso-endocitosi

Composizione delle membrane biologiche

La membrana è fatta da lipidi, proteine e zuccheri.

• I. I lipidi si dividono in:
  • Fosfolipidi: il glicerolo si lega a due acidi grassi attraverso due legami esteri (OH – COOH con sottrazione di acqua) (acido fosfatidico) e poi al terzo gruppo ossidrilico si lega un ortofosfato e un residuo polare sempre per esterificazione, che da la caratteristica polare al fosfolipide.
  • Glicolipidi: sono lipidi in cui al glicerolo si lega uno zucchero come testa polare.
  • Steroli: sono lipidi planari derivati dal nucleo del colesterolo. Il colesterolo rende la membrana più fluida se è fatta da acidi grassi saturi, mentre la rende più compatta se è insatura (quindi la rende meno fluida).
• II. Le proteine di membrana si dividono in
  • Integrali
  • Periferiche (sono semplicemente adese alla membrana attraverso legami covalenti).