Plasticità cellulare (prima parte)

PLASTICITÀ

INTRODUZIONE

❖ → →

1665 Hooke (XVII secolo) osservazione del sughero al microscopio tante cellette e piccole

schegge delimitate da una parete sottile e resistente

❖ →

Cellule entità altamente dinamiche dove le pareti rispondono continuamente a stimoli

➢ endogeni

➢ ambientali

 →

biotici altri organismi

 →

abiotici variazione parametri chimico-fisici

PIANTE

❖ organismi eucariotici AUTOTROFI FOTOSINTETICI

❖ scelte evolutive diverse dai Metazoi:

▪ →

fotosintesi no eterotrofia

▪ →

totipotenza cellulare no motilità o poca (diverse da alghe unicellulari

flagellate)

❖ processi di differenziamento e sviluppo si basano sul fatto che cellule restano FISSE imprigionate

→

nel RETICOLO TRIDIMENSIONALE delle pareti cellulari si riflette all’INTERO ORGANISMO in

una mancata capacità di movimento

❖ le piante hanno sviluppato SOFISTICATI MECCANISMI cellulari MOLECOLARI e SISTEMICI per

percepire e rispondere agli stimoli esterni

 ambientali

 →

patogeni e parassiti meccanismi di difesa

❖ →

aumento di dimensioni fenomeno associato ad un ACCRESCIMENTO delle SINGOLE CELLULE

(diverso dagli animali dove aumento dimensioni dato da proliferazione cellulare) 1

CELLULA VEGETALE

❖ →

dimensioni di circa 100 mm da 10 mm nelle meristematiche ed embrionali ad alcuni cm nei

granuli pollinici

❖ → →

parete cellulare cellulosa, pectine, emicellulose ma può subire modificazioni da lignina e

suberina

❖ →

plasmodesmi canali nella parete cellulare che permettono la comunicazione fra cellule

❖ →

vacuoli cavità endocellulari, avvolti dal tonoplasto che occupano gran parte della cellula e

che svolgono numerose funzioni:

 mantenere il turgore cellulare

 controllo del passaggio di molecole dalla linfa al citosol

 mantenimento del pH ottimale del citosol

 riserva di varie sostanze

❖ →

plastidi, specialmente i cloroplasti grazie alla clorofilla permettono alle cellule vegetali di

produrre monomeri di zucchero e ossigeno, partendo dalla CO e sfruttando l’energia solare

2

(FOTOSINTESI CLOROFILLIANA)

❖ Assenza:

• centrioli

• lisosomi

PARETE CELLULARE

❖ conferisce la forma cellulare

• assunta durante il differenziamento

• dipende in realtà da EQUILIBRIO tra:

 plasticità parete

 →

pressione turgore esercitata dal vacuolo

❖ fino al completamento del differenziamento cellulare e irrigidimento della parete (arresto della

crescita cellulare):

➢ parete limita l’estensione del PROTOPLASMA

➢ protoplasma causa la distensione della PARETE

❖ →

struttura altamente DINAMICA cellula controlla continuamente:

➢ caratteristiche meccaniche

➢ caratteristiche chimiche

➢ caratteristiche funzionali

❖ in diversi organismi, ma composizione chimica e struttura diversa:

➢ quasi tutti PROCARIOTI

➢ tutti FUNGHI 2

➢ numerosi PROTISTI

➢ tutte PIANTE

Parete cellulare procarioti

❖ →

Peptidoglicano (o mureina) glicopeptide formato:

➢ NAG (N-acetilglucosammina)

➢ NAM (acido N-acetilmuramico)

➢ Catena peptidica

 L-Ala

 Acido D-glutammico

 →

aa acido meso-diaminopimelico (Gram-) o L-Lys (Gram+)

 D-Ala

❖ Gram - • reazione negativa con CRISTAL VIOLETTO

• sottile strato di peptidoglicano

• →

strato esterno (outer membrane) LPS e proteine

❖ Gram + • reazione positiva

• aspetto uniforme

• spesso strato di peptidoglicano associato a:

 acidi teicoici

 acidi teicuronici

Parete cellulare funghi →

Costituita soprattutto da CHITINA polisaccaride con residui N-acetilglucosammina

Troviamo la chitina anche nell’esoscheletro degli artropodi

PARETE CELLULARE PIANTE

❖ spessore 0,1 - 100 mm -D-glucosio

❖ → →

componente principale: cellulosa polimero lineare da residui di [(1 4)-D-

GLUCANO]

❖ pH 4-6

❖ 3 strati:

• parete primaria

▪ 0,1 - 1 mm

▪ in tutte le cellule

▪ depositata da cellule in accrescimento, molto plastica

▪ contiene il protoplasto vivo

▪ →

molto idratata flessibile ed estensibile 3

▪ 35% pectine, 25% emicellulose, 25% cellulosa, 1-8% proteine

▪ due diversi tipi:

 →

sottile e pochi strati cellule meristematiche e parenchimatiche

 → →

spessa e tanti strati cellule collenchima ed epidermiche

troviamo in questi tipi anche molecole IMPERMEABILIZZANTI

IDROFOBICHE

• parete secondaria

▪ →

solo alcuni tipi cellulari sughero, xilema e sclerenchima

▪ deposta

 →

al termine ESPANSIONE bloccare accrescimento

 all’interno della parete primaria (tra la primaria e la membrana)

▪ ulteriormente suddivisa in 3 strati:

 →

S1 esterno

 →

S2 mediano

 →

S3 interno

▪ ricca di CELLULOSA e LIGNINA + suberina, cutina e cere

▪ le microfibrille di cellulosa hanno un orientamento diverso nei diversi

→ →

strati conferiscono una struttura lamellare RESISTENZA

▪ povera di emicellulose e pectine

▪ priva di proteine, sia enzimatiche sia strutturali

▪ supporto e impermeabilizzazione

▪ una spessa parete può occludere completamente il protoplasto

▪ →

lignificazione rende gli scambi di soluti difficoltosi alcune cellule

svolgono la loro funzione da morte:

 tracheidi

 trachee

• lamella mediana

▪ strato sottile di circa 30 nm

▪ origina da piastra cellulare

▪ in tutte le cellule

▪ →

strato più esterno unisce cellule adiacenti (ADESIONE CELL-CELL)

▪ suddivisibile in due zone:

 →

zona appressata tra due cellule ricca di PECTINE METILATE

 →

zone di giunzione tra più cellule si formano spazi intercellulari e

predominano PECTINE NON-METILATE

▪ nelle cellule con parete secondaria, la lamella risulta incrostata da lignina

e tende a scomparire

❖ può essere rimossa con:

▪ cellulasi

▪ pectinasi

▪ emicellulasi 4

❖ composizione:

• polisaccaridi

▪ cellulosa

▪ emicellulose

▪ pectine

• componente proteica

▪ →

alcune con funzione strutturale rafforzamento e assistenza al corretto

montaggio

▪ altre con funzione enzimatica

❖ Architettura

• FASE MICROFIBRILLARE

 CELLULOSA

 immersa nella matrice

• FASE DI MATRICE

 H O

2

 →

Polisaccaridi PECTINE ed EMICELLULOSE

 Proteine (strutturali ed enzimatiche)

 →

Composti fenolici LIGNINA

❖ Funzioni

• forma e supporto

• resistenza meccanica

• →

creazione P turgore circa 0,2 MPa

• barriera patogeni

• segnalazione

Componente polisaccaridica

❖ Fase microfibrillare:

 CELLULOSA

 -glucosio (1 → →

unità di legati da legami 4) formazione di

→

catene in realtà unità base sono dimeri di CELLOBIOSIO ripetuti

ed uniti da legami H

 catene adiacenti legate da legami H

 → → →

unità di glucosio unità di cellobiosio microfibrilla (10nm)

macrofibrilla (50 nm)

❖ Microfibrilla:

 20-40 catene con legami H

 diverse zone

▪ amorfe

 meno compatta

 si posiziona alle estremità

 più sensibile alle cellulasi

▪ cristalline

 →

più compatte difesa ed esclusione H O

2 5

 si posizionano centralmente

 inaccessibili a cellulasi

❖ Fase matriciale:

 ricca di H O

2

 costituita da polisaccaridi appartenenti ai gruppi delle:

 emicellulose

 pectine

 in piccole quantità anche proteine strutturali

 classificazione polisaccaridi di matrice NO CHIMICA ma in base alla MODALITÀ di

ESTRAZIONE

 emicellulose con trattamenti fortemente caustici della parete

priva di pectine→ soluzione ALCALINA (2-4 M NaOH)

 2+

pectine con agenti chelanti dello ione Ca oppure con

H O/soluzione acida CALDA

2

PECTINE

❖ →

conferiscono plasticità alla parete essendo più solubili in H O sono in grado di formare GEL

2

(anche dopo essere stati estratti)

❖ costituiscono circa il 35% della parete primaria di dicotiledoni e monocotiledoni (non

commelinoidi)

❖ →

impiego nell’industria ALIMENTARE e COSMETICA marmellate, gelatine e rossetti

❖ polisaccaridi

 abbondanti nelle ZONE ADESIONE a livello della lamella mediana

 →

ricchi in ACIDO GALATTURONICO (GalA) 70% pectine da GalA

 struttura complessa e ramificata

❖ principali zuccheri formanti le pectine:

 →

acido galatturonico zucchero acido

 →

ramnosio zucchero neutro

 →

galattosio zucchero neutro

 →

arabinosio zucchero neutro

❖ troviamo tra le pectine:

▪ OMOGALATTURONANO (detto anche acido poligalatturonico)

(1

▪ →

catena lineare di acido galatturonico 4)

▪ →

polimero acido per la presenza di gruppi COOH sul C6 solitamente →

metilato (quando sintetizzato), ovvero legame estere tra i due gruppi

PECTINA METILESTERASI taglia il legame e ora il gruppo COOH può

2+ 2+

mediare i LEGAMI CROCIATI complessandosi con ioni Ca o Mg

formando gli EGG BOXES 6

▪ gli egg boxes conferiscono alla parete una consistenza GELATINOSA con

funzione:

 lubrificante

 →

adesione cellulare comunicazione

▪ RAMNOGALATTURONANO I

▪ catena principale lineare di acido galatturonico intervallata da residui di L-

ramnosio

(2 (4

▪ → →

legami 1) e legami 1)

▪ RAMNOGALATTURONANO II

▪ struttura molto complessa

▪ catena base di acido poli-galatturonico e almeno 10 zuccheri diversi come

ramificazioni

▪ essendo altamente ramificato permette la formazione di PORI

▪ capacità di DIMERIZZARE grazie alla formazione di un ESTERE con il

→

BORATO (in corrispondenza di un APIOSIO) rigidità parete

▪ ARABINANO

▪ → →

scheletro residui di arabinosio (1 5)

▪ → →

ramificazioni residui di arabinosio (1 3)

▪ ARABINOGALATTANO

▪ → →

scheletro residui di galattosio (1 4)

▪ →

ramificazioni residui di arabinosio

▪ XILOGALATTURONANO

▪ acido galatturonico e ramificazioni di xilano

EMICELLULOSE

❖ →

gruppo eterogeneo di polisaccaridi fortemente legati alla cellulosa mediante legami H su

→

microfibrille neosintetizzate (amorfe) permettono COLLEGAMENTI CROCIATI tra fibrille di

cellulosa

❖ FORZA PORTANTE della parete

conferiscono la

❖ biosintesi nel Golgi

❖ molecole ramificate:

 XILOGLUCANO

 parete primaria dicotiledoni

 (1

→ →

scheletro 4)-D-glucano

 →

ramificazioni xilosio su C6 7

 GLUCURONOARABINOXILANO (GAX)

 parete primaria e secondaria monocotiledoni

 (1

→ →

scheletro 4)-D-xilano

 →

ramificazioni acido glucuronico e arabinosio

 GLUCOMANNANI

 piccole tracce

 alternanza di glucosio e mannosio

PROTEINE STRUTTURALI

❖ componente polisaccaridica predominante, infatti altamente glicosilate (glicoproteine)

❖ tra le più importanti HRGP (estensine)

❖ loro distribuzione non è omogenea ma dipende da:

 specie

 tipologia cellulare

 stadio di sviluppo

❖ →

ramificazioni grossi polisaccaridi

❖ estratte e purificate solo se ritrovate nella via di segnalazione altrimenti una volta raggiunta la

→

parete polimerizzano e reagiscono con altri componenti diventando INSOLUBILI e NON

ESTRAIBILI

❖ 4 gruppi

• HRGP (HyPro Rich Glyco Proteins)

• appartengono a questo la famiglia delle ESTENSINE

• motivo conservato

• limitazione estensione cellulare e resistenza patogeni

• PRP (Proline Rich Proteins)

• →

GRP (Glycine Rich Proteins) risposta ferite

• →

AGP (Arabino Galattan Proteins) per differenziamento e adesione cellulare

❖ le HRGP, PRP e GRP hanno una struttura primaria altamente ripetuta che consente la

formazione di strutture:

• a bastoncino (HRGP e PRP)

• a piastra (GRP)

❖ generalmente rivolti nella FACCIA ESTERNA della membrana

❖ espressione tessuto-specifica

❖ possono avere anche un ruolo come MOLECOLE SEGNALE nei processi di sviluppo 8

PROTEINE ENZIMATICHE

numerose funzioni:

→

difesa CHITINASI

→

idrolitici CELLULASI, PECTINASI

→

cross-linkers XET (xiloglucano endotransglucosidasi per assemblaggio XILOGLUCANO della

parete)

ACQUA

❖ può arrivare fino al 60% del peso della parete primaria

❖ funzioni strutturali

➢ legandosi con le pectine per formare gel e formando legami H con gli altri

polimeri della parete

➢ formare legami H con altri polimeri della parete

- 2+

N.B. Anche alcuni ioni, come il borato (B ) e il Ca , sono strutturalmente importanti andando a

formare legami di una certa rigidità tra polimeri pectici.

FENOLI

❖ si infiltrano negli spazi tra le miofibrille di cellulosa che si legano in modo crociato

❖ appartengono alla classe dei FENILPROPANOIDI

❖ costituenti base della LIGNINA (lignoli)

➢ esclusiva della parete secondaria

➢ →

fino al 20-30% in peso tra i polimeri nella pianta secondo polimero più

abbondante dopo la cellulosa

➢ →

conferisce compattezza e idrofobicità parete IMPERMEABILE e

RESISTENTE alla compressione (eliminazione di H O)

2

➢ comparve nel DEVONIANO circa 400 mln di anni fa, permettendo ai vegetali

di conquistare l’ambiente terrestre

➢ polimero di natura fenolica

➢ si forma da accoppiamento ossidativo di 3 MONOLIGNOLI (sintetizzati nel

citoplasma a partire dagli aa aromatici fenilalanina e, nelle graminacee,

anche dalla tirosina):

 alcol p-cumarilico (H)

 →

alcol coniferilico (G) abbondante nelle gimnosperme

 →

alcol sinapilico (S) abbondante nelle angiosperme

BIOGENESI PARETE

I componenti della parete possono venire sintetizzati direttamente sul posto, come la cellulosa,

oppure nel citoplasma (RE e apparato del Golgi) per essere poi secreti nello spazio extracellulare e

correttamente assemblati assieme agli altri componenti della parete. 9

❖ Cellulosa

▪ mediante utilizzo di enzimi (glicosil-transferasi) che aggiungono ad una catena

polimerica in allungamento un residuo glicosidico proveniente da uno zucchero-

nucleotide attivato

▪ a livello della membrana plasmatica, nel COMPLESSO della ROSETTA

➢ complesso multi-enzimatico intrinseco di 6 subunità disposte in modo

circolare

➢ diametro di 25-30 nm

➢ ciascuna subunità da 6 proteine note come CELLULOSA SINTASI (CESA)

 su microtubuli corticali

 continuo movimento

 mutazione fra2 altera la disposizione microtubuli e questo si

riflette nella disposizione alterata delle microfibrille dello strato

interno della parete

 appartenenti al gruppo GLICOSILTRANSFERASI

 3 diverse proteina CESA per ogni subunità (3x2=6)

➢ in Arabidopsis le 6 proteine CESA sono codificate da 3 geni

 →

parete primaria CESA 1, 3 e 6

 →

parete secondaria CESA 4, 7 e 8

N.B. microtubuli osservati con microscopio confocale mentre le microfibrille di cellulosa con il

microscopio elettronico a scansione

▪ → →

da ogni CESA viene sintetizzato un POLIGLUCANO [catena b(1 4)-D-glucano] questi

poliglucani si associano agli altri per formare la MICROFIBRILLA. Le microfibrille di

cellulosa sono deposte in modo ordinato e non casuale

❖ Pectine ed emicellulose

▪ biosintesi nel Golgi (lato luminale)

▪ da specifiche glicosil-transferasi intrinseche o associate alla membrana

▪ ci sono anche molte metiltransferasi e acetiltransferasi

▪ una volta sintetizzati i polimeri raggiungono la parete mediante il TRASPORTO

VESCICOLARE

▪ →

cis-trans pectine

▪ →

trans emicellulose

❖ Proteine di parete (strutturali o enzimatiche)

▪ inizia nel citosol

▪ →

sono dotate di peptide N-terminale segnale per procedere nella via di secrezione

→ →

(reticolo maturazione Golgi secrete grazie al trasporto vescicolare) 10

Assemblaggio componenti parete

Si ipotizzano due meccanismi:

• →

autoassemblaggio dipende esclusivamente dalle proprietà intrinseche dei vari polimeri

(ad esempio le emicellulose tendono a legarsi spontaneamente alle fibrille di cellulosa, così

come le pectine tendono a formare gel)

• assemblaggio mediato da enzimi

Proprietà chimico-fisiche parete

Diversa composizione chimica della parete conferisce ad essa diverse proprietà fisiche e chimiche:

❖ RESISTENZA

➢ alla trazione

➢ alla compressione

▪ conferita da:

➢ LIGNINA

 resistenza per le sue caratteristiche strutturali

 riduce plasticità occupando il posto dell’H2O

➢ CELLULOSA

 dà il suo massimo contributo quando la forza applicata è nella

stessa direzione delle microfibrille

❖ PLASTICITÀ

▪ →

conferita dalla componente PECTICA formano gel e assecondano protoplasto nella

crescita

▪ controllata da proteine specifiche

▪ espansine

▪ XET

▪ →

rimodellano legami tra i polimeri della matrice conferendo alla cellula

la capacità di CAMBIARE FORMA

▪ H O

2  abbondante in pareti plastiche

 scarsa in pareti rigide

❖ ELASTICITÀ

▪ →

conferita dalla componente FIBRILLA