Plasticità cellulare (seconda parte)

VACUOLO

➢ →

Dal latino vacuum (vuoto) metà dell’800 da Dujardin [vescicole vuote in alcuni protozoi]

➢ Organelli dinamici

➢ In continuità con il sistema di endomembrane (sia funzionalmente che strutturalmente)

➢ Due tipi: →

o vacuoli di riserva (PSV = Protein Storage Vacuole) importanti per l’accumulo di

proteine [semi o altri tessuti] →

o vacuoli litici (LV = Lytic Vacuole) contengono proteasi attive (enzimi idrolitici) e

funzionano come organelli digestivi

➢ Possono accumulare anche METABOLITI SECONDARI come ALCALOIDI, GLUCOSIDI, ACIDI

ORGANICI e ANTOCIANIDINE

LV e PSV si rendono evidenti durante l’embriogenesi:

→ →

1. prima divisione dello zigote formazione di due cellule asimmetriche una cellula

basale vacuolata ed una apicale non vacuolata

2. grandi LV si sviluppano prima in quelle cellule discendenti da cellula basale, poi in seguito

nelle discendenti da quella apicale

LV si potrebbe originarsi da FUSIONE di vescicole preesistenti o EX NOVO (quest’ultimo visto in

cellule artificialmente private da vacuolo preesistente)

Quelli che si origina per fusione potrebbero generarsi inizialmente dalla fusione di autofagosomi

che intrappolano porzioni di citosol (nelle cellule meristematiche numerosi piccoli vacuoli che

→

vengono distribuiti durante divisione ed ereditati dalle cellule figlie) il ruolo dell’autofagia è

collegato con l’aumento di volume delle cellule in via di differenziamento (crescita per

distensione) e non con biogenesi.

Tra le proteine coinvolte nella biogenesi del vacuolo troviamo VCL1, implicata nella regolazione

→

proteine SNARE essenziali per traffico di membrana verso il tonoplasto (v-SNARE sulla vescicola

e t-SNARE sulla membrana basale) →

3. Nelle fasi tardive embriogenesi si forma il PSV si forma come struttura tubulare intorno

al LV →

Il PSV può anche inglobare all’interno il LV quest’ultimi sopravvivono al suo interno come

→

compartimenti membranosi litici detti GLOBOIDI (corrispondono a residui di LV) semi tabacco e

pomodori

È stato identificato anche un terzo tipo di vacuolo SAV (Senescence Associated Vacuole) in foglie

→

senescenti di Arabidopsis pH più acido e indipendenti dall’autofagia.

Nel tonoplasto non presentano la proteina gamma-Tip (sottofamiglia delle acquaporine)

abbondante nei vacuoli litici. 1

Proteine TIP

Una famiglia di proteine intrinseche del tonoplasto,

sottile membrana attorno al vacuolo, sono dette TIP

(Tonoplast Intrinsic Proteins) e sono una sottofamiglia

delle acquaporine che costituiscono piccoli canali che

facilitano il passaggio, attraverso la membrana, di acqua,

soluti privi di carica (glicerolo, urea, acido borico,

perossido di idrogeno) e gas (ammonio e CO ).

2

Il genoma di Arabidopsis codifica per 10 ISOFORME classificate in cinque sottogruppi:



• tre -TIP (TIP1)



• tre -TIP (TIP2)

 

• →

-TIP e -TIP (TIP3;1 e TIP3;2) specifiche del seme



• -TIP (TIP4;1) →

Diversi compartimenti vacuolari sono contraddistinti da una specifica dotazione di TIP ad

-TIP - -TIP

esempio è caratteristica del vacuolo litico mentre e sono tipiche del vacuolo di

riserva.

Caratteristiche:

❖ circondato dalla membrana del TONOPLASTO:

 spessore 7-10 nm

 ricca di fosfolipidi (bilayer), glicolipidi (galattolipidi) e proteine

 permeabilità agli ioni è maggiore rispetto al plasmalemma

 passaggio protoni limitato

 regolazione del contenuto e volume dei vacuoli mediante attività

coordinate di trasportatori e canali localizzati nel tonoplasto

❖ →

Al microscopio elettronico lume vacuolo trasparente

❖ →

All’interno SUCCO VACUOLARE soluzione acquosa contenente sostanze di natura diversa e

stato fisico diverso (disciolte, stato cristallino o condensate):

 + 2+ -

Sali di acidi organici e inorganici (citrico, malico, K , Mg , Cl )

 Carboidrati (glucosio, fruttosio, saccarosio, inulina)

 Amminoacidi e proteine (riserva o enzimatiche)

 Lipidi

 Metaboliti secondari

 Solidi cristallini che si formano per un sistema di detossificazione

→

2+

(esempio: eccesso di Ca assorbito dalle radici) idioblasti

cristallini, cellule ossalifere, rafidi e druse stiloidi

❖ →

pH ha valore medio tra 5,0 e 5,5 può scendere fino a 2,0 o arrivare a 7 nei PSV (vacuoli di

riserva di proteine) 2

Acidità del vacuolo

Dipende da alcune proteine (30% proteine tonoplasto):

• →

+

H ATPasi vacuolari solo sul tonoplasto e sul Golgi network

• + →

H pirofosfatasi utilizzano E del legame fosfoanidridico del pirofosfato, sempre

abbondante.

Ci sono poi anche le pompe di tipo V (V-PPasi) si trovano nel tonoplasto ma anche nella +

membrana plasmatica, Golgi e corpi multivescicolari. La loro funzione è di trasportare H dal

citoplasma verso lo spazio delimitato da membrana determinando un abbassamento del pH del

contenuto della vescicola e mantenendo la neutralità del pH citoplasmatico.

N.B. I vacuoli possono anche essere neutri, quindi le pompe protoniche possono essere importanti

anche per altri processi oltre che per l’acidificazione come TRASPORTO di membrane e

REGOLAZIONE della fusione delle membrane.

Processo di formazione del vacuolo secondo F. Marty (1978) →

Dal GERL (Golgi, RE, lisosoma) si originano i PROVACUOLI TUBULARI formano vescicole che si

ramificano estendendosi in tutta la cellula. →

I provacuoli si avvolgono intorno a porzioni di citoplasma formando una GABBIA

Successivamente i tubuli di ciascuna gabbia si fondono, isolando completamente il citoplasma

→ →

inglobato vacuolo lisosomiale la membrana interna ed il citoplasma inglobato saranno poi

digeriti da enzimi lisosomiali e vacuolo maturerà.

Trasporto delle proteine solubili verso i vacuoli

Le proteine destinate al vacuolo sono sintetizzate nel RE e trasportate da vescicole nel Golgi.

Esistono anche vie alternative dove le proteine passano direttamente dal RE al vacuolo, senza

passare per il Golgi, ma passando attraverso un sistema di vacuoli minori.

Esistono una serie di segnali che permettono alle proteine di lasciare il Golgi e giungere nei

vacuoli, questi sono detti DETERMINANTI DEL TRASPORTO VACUOLARE o VSD (Vacuolar Sorting

Determinants).

Ad oggi sono stati identificati tre tipi di VSD delle proteine solubili:

• → →

ss-VSD (VSD sequenza specifici) identificati nella prosporamina di patata sporamina è

una proteina di riserva abbondante nei tuberi di patata; non forma corpi proteici ma viene

immagazzinato, insieme a vari enzimi attivi (come le patatine), in vacuoli con

caratteristiche simili a quelle dei vacuoli litici

Dopo la rimozione del peptide segnale nel RE, la PROSPORAMINA espone 16 aa (N-

terminali) che vengono rimossi solo quando la proteina raggiunge il vacuolo 3

• →

ct-VSD (VSD in posizione C-terminale) molte proforme delle proteine vacuolari hanno

→

delle regioni C-terminali che possono essere rimosse nelle forme mature i loro recettori

sono proteine dette RMR.

È stato inoltre evidenziato che queste proteine vacuolari vengono trasportate da vescicole

dense.

• →

ps-VSD (VSD influenzati dalla struttura fisica della proteina) sembra non necessitare di

propeptidi come segnali, forse quest’ultimo è incluso nella SEQUENZA della proteina.

Sembra inoltre importante come la proteina si ripiega e si assembla (FOLDING). Un

possibile sistema di selezione e trasporto sembra essere l’aggregazione ed una forma di

questo si osserva nelle PROLAMINE dei cereali, che si aggregano in corpi proteici già nel RE.

Funzioni:

➢ →

Aumenta notevolmente la superficie di scambio tra cellula e ambiente esterno grazie alla

posizione favorevole (confina con citoplasma alla periferia della cellula)

➢ Funzioni litiche o di riserva

➢ →

Difesa compartimentalizzare

➢ →

Mantenere il turgore cellulare grazie al fatto che ambiente extracellulare è generalmente

ipotonico rispetto al succo vacuolare. Il turgore è determinato dall’accumulo intracellulare di:

▪ +

Ioni K per la maggior parte delle cellule

▪ +

Ioni Na per le alofite (adattate a suoli salini)

I soluti vengono trasportati all’interno del vacuolo grazie ad un GRADIENTE ELETTROCHIMICO

garantito dalle due pompe protoniche.

Il movimento dell’acqua attraverso il tonoplasto è mediato dalle acquaporine (TIP).

N.B. La grande variazione di volume dovuta al riempimento e svuotamento del vacuolo genera

movimenti come apertura e chiusura degli stomi e come quelli anche bruschi della mimosa pudica

→

o delle piante carnivore movimento parti pianta

Turgore cellulare

Pressione esercitata dal contenuto di una cellula vegetale che spinge la membrana

plasmatica contro la parete cellulare.

Questa pressione è generalmente determinata dal contenuto d'acqua del vacuolo, in base

alla pressione osmotica. Cellule turgide contengono più acqua di quelle flaccide ed esercitano una

maggiore pressione osmotica sulle proprie pareti cellulari.

se parete non in grado di opporsi al continuo richiamo di acqua si avrebbe lo scoppio dei

protoplasti

Se il vacuolo perdesse acqua si avrebbe un abbassamento della pressione di turgore e questo

comporterebbe la plasmolisi cellulare. 4

Granuli di Aleurone (o corpi proteici)

❖ Vescicole che racchiudono riserve proteiche nelle cellule vegetali, particolarmente abbondanti

nei semi.

❖ Forma sferica e diametro da 0.1 a 22 µm

❖ Si formano nel Golgi o nel RE

❖ All’interno c'è una matrice amorfa, ricca di sostanze proteiche e talora di proteine enzimatiche.

Nella matrice possono trovarsi delle inclusioni:

➢ i cristalloidi, inclusioni proteiche cristalline, che possono contenere molte

proteine di riserva;

➢ i globoidi, piccole inclusioni di forma sferica, costituite da fitina, sale di calcio

e magnesio dell'estere esafosforico del mio-inositolo; sono quindi una

riserva di fosforo, inositolo e diversi cationi (Ca, Fe, Zn, K, ecc).

❖ Durante la germinazione e le prime fasi di crescita della plantula, il contenuto dei corpi proteici

viene idrolizzato per fornire substrati ed energia per la crescita della plantula. Quando l'idrolisi

delle sostanze di riserva è completata, i corpi proteici diventano piccoli vacuoli acquosi, che si

fonderanno poi a formare il grosso vacuolo della cellula.

❖ Nelle cariossidi sono localizzati nei tessuti che sono tra i tegumenti del seme e le cellule

→

amilifere nel processo di macinazione resta attaccato alla crusca, quindi non presente nelle

farine “bianche” 2+

Cristalli di ossalato di Ca • Sale insolubile

• Diverse forme a seconda del tessuto e della pianta:

drusa, fascio di rafidi, sabbia cristallina e stiloide. 5

Litocisti Grosse cellule epidermiche che contengono un cristallo di carbonato di calcio (il

cistolite) depositato su di una papilla costituita da materiale di parete

invaginato. Vengono depositati anche pectine e silice che stabilizzano il

carbonato di calcio. Si trovano, ad esempio, nelle foglie di Ficus.

Metaboliti secondari:

→

Alcaloidi composti organici contenenti azoto, di origine vegetale e principalmente

→ →

eterociclici. Generalmente basici. [Curarina azione paralizzante sui nervi motori, Eritrina

blocca giunzioni mioneurali]

→

Tannini Composti polifenolici sintetizzati a livello della corteccia con ruolo di difesa, infatti,

vengono espressi in corrispondenza dei punti di lesioni di foglie o altre parti della pianta a

→

seguito di un attacco dei predatori scopo è quello di rendere meno gradevole e appetibile la

pianta stessa.

→

Flavonoidi composti polifenolici idrosolubili. Tra questi troviamo le antocianine, un gruppo

→

specifico di flavonoidi responsabili per la pigmentazione di frutti e fiori. [Cianidina effetti

antinfiammatori, combatte diabete e inibisce obesità]

Antociani

ANTOCIANI

❖ Classe di coloranti vegetali idrosolubili, di natura glicosidica, appartenente alla famiglia dei

flavonoidi.

❖ Sono tra i più importanti gruppi di pigmenti presenti nei fiori, nei frutti, nelle foglie o nei fusti

di molte piante che assumono colore diverso – rosso, azzurro o violetto – a seconda del pH del

mezzo in cui si trovano (rispettivamente acido, alcalino o neutro) e dalla formazione di sali con

metalli pesanti presenti nei tessuti.

❖ Svolgono diverse funzioni: responsabili colorazione foglie, fiori e frutti; protezione da raggi UV

in piante giovani; attrarre insetti e animali per aiutare la riproduzione e/o trasporto di semi.

❖ Gli antociani sono composti poliaromatici poliossidrilati in grado di reagire con gli ossidanti

quali l'ossigeno molecolare e i radicali liberi riducendo così i danni che queste molecole

possono provocare alle cellule e ai tessuti:

• →

attività antiossidante e antiradicalica molto utili per i loro impieghi in medicina

→ protezione contro la fragilità capillare e contro vari processi di invecchiamento o

modificazioni cellulari provocati dall'ossigeno, tra cui processi 6

infiammatori e modificazioni cancerogene (alcune di queste attività sono le stesse

riscontrate nel vino).

• utilizzati come indicatori di pH, virando dal rosso al violetto o blu con l'aumentare

dell'alcalinità dell'ambiente

• →

impiegati come additivi alimentari presenti come colorante rosso

antociano (E163), usato in marmellate.

In Petunia hybrida il colore dei fiori, nonostante la quantità di antociani sia la stessa, è

determinato dagli antociani e dal pH del lume vacuolare:

▪ →

pH < 5,5 fiore fucsia

▪ → →

pH > 6,0 fiore viola un elemento trasponibile ha inattivato un gene per il controllo del pH

vacuolare, mutazione instabile e lo spostamento del trasposone permette la reversione del

colore originario.

Meccanismi di trasporto antociani

Sono ancora oggetto di studio. Tra i diversi meccanismi spicca quello del TRASPORTO MEDIATO da

vescicole.

Hp nasce dall’osservazione di piccoli compartimenti dispersi nel citoplasma e carichi di antociani

→ →

ANTOCIANOPLASTI nascono dalla fusione di vescicole e sono associabili a piccoli vacuoli o

pre-vacuoli (PVC), essendo racchiusi da membrana.

Esistono anche studi che hanno associato gli antocianoplasti ai PSV perché hanno mostrato una

modalità di trasporto indipendente dal TGN.

Inoltre, alcune strutture note come AVI (Anthocyanic Vacuolar Inclusion) sono caratterizzate da

una elevata concentrazione di antociani. Gli AVI sono inclusioni interne al vacuolo centrale e sono

privi di membrana, risultano quindi un meccanismo di accumulo degli antociani all’interno dei

vacuoli.

Si ipotizza che gli AVIs derivino da vescicole endocitiche che trasportano materiale proteico dal

citoplasma al vacuolo, con successiva degradazione della matrice proteica e rilascio degli antociani

nel vacuolo. 7

NUCLEO

o Esclusivo della cellula eucariotica

o →

Contiene il DNA mentre nelle cellule procariotiche il DNA (circolare e nudo) occupa una

regione del citoplasma detta nucleoide, non delimitata da membrana.

o Una piccola parte del DNA è invece contenuta nei plastidi (DNA plastidiale) e nei

mitocondri (DNA mitocondriale)

o Alcuni studi dimostrano che molto probabilmente il nucleo e il RE si sono evoluti per

invaginazione del plasmalemma (vescicole endocitiche).

Involucro nucleare

Separa l'interno del nucleo dal citoplasma ed è formato da una doppia membrana, membrana

nucleare interna e membrana nucleare esterna, quest’ultima in continuità con il reticolo

endoplasmatico.

La comunicazione fra il nucleo e citoplasma avviene tramite numerosi complessi di poro nucleare,

che regolano lo scambio di molecole fra i due ambienti. →

Inoltre, dal lato interno, l'involucro nucleare è rinforzato dalla lamina nucleare rete di fibrosa di

lamine (proteine fibrillari della famiglia dei filamenti intermedi) che funge, assieme alla matrice

nucleare, da impalcatura interna per sorreggere il nucleo cellulare e mantenerne la forma stabile

nel tempo, con funzione analoga rispetto a quella del citoscheletro per la membrana cellulare.

La lamina si lega alla membrana nucleare interna grazie ad una serie di proteine di ancoraggio, ad

oggi sono state identificate numerose proteine che interagiscono direttamente o indirettamente

con la membrana mediante interazioni proteina-proteina.

La lamina nucleare funge, anche, da aggancio per la cromatina, in particolare per l'eterocromatina,

situata nelle regioni più periferiche del nucleo. 8

Proteine della membrana esterna

Le proteine della membrana nucleare esterna hanno caratteristiche diverse. In particolare, le

proteine tipo-spectrina, note come nesprine, appartenenti alla superfamiglia delle α-actinine,

hanno la funzione di connettere il nucleo con il citoscheletro mediante l’interazione con i filamenti

di actina e di posizionare il nucleo rispetto alla cellula.

Evidenze sperimentali suggeriscono che analoghe proteine vegetali svolgono un ruolo nel

movimento del nucleo nella cellula vegetale.

A differenza della cellula animale, dove i centri di organizzazione del fuso mitotico sono costituiti

dai centrosomi citoplasmatici, nella cellula vegetale è l’involucro nucleare a rappresentare il sito

principale di assemblaggio dei microtubuli mediante la presenza di proteine associate ai

microtubuli (MAPs) che regolano la formazione dei microtubuli da parte dell’involucro nucleare.

Pori nucleari

• →

Diametro poro circa 9 nm solo piccole molecole < di 20 40 kDa passano liberamente, il

resto trasportato attivamente con uso di energia.

• 8 proteine canale disposte ad ottamero

• Centinaia di altre proteine che formano le diverse subunità

• Funzione: trasporto attivo da e per il citoplasma