Citologia PDF - Biologia Vegetale

Biologia vegetale CITOLOGIA Microscopi Ottico: sorgente luminosa per osservare il campione Elettronico: fascio di elettroni che creano l’immagine su uno schermo TEM: attraverso dei magneti il fascio di elettroni viene convogliato sul campione, passa da una zona dove è stato creato artif...

Biologia vegetale CITOLOGIA Microscopi Ottico: sorgente luminosa per osservare il campione Elettronico: fascio di elettroni che creano l’immagine su uno schermo TEM: attraverso dei magneti il fascio di elettroni viene convogliato sul campione, passa da una zona dove è stato creato artificialmente il vuoto e lo attraversa. Può rilevare dettagli interni di una struttura biologica con enorme ingrandimento SEM: produce immagini scansionando la superficie del campione con un fascio di elettroni, gli elettroni secondari METABOLISMO Reazioni anaboliche: producono sostanze complesse consumando energia Reazioni cataboliche: degradano sostanza complesse liberando energia Metaboliti: piccole molecole organiche coinvolte in processi biologici Acidi nucleici: polimeri di nucleotidi, macromolecole responsabili di informazioni genetiche e regolazione dell’espressione genica Proteine: catene polipeptidiche formate da amminoacidi con funzione sia catalitica che strutturale Lipidi: polimeri di acidi grassi Glucidi: polisaccaridi Metaboliti primari: Essenziali per crescita, riproduzione e sviluppo Amminoacidi Zuccheri (basso peso molecolare) Nucleotidi Acidi grassi a catena corta Acidi organici Metaboliti secondari: non hanno coinvolgimento diretto nelle funzioni vitali di base, sono detti funzionali o specializzati, variano da organismo a organismo Negli organismi viventi l’energia chimica viene trasportata sotto forma di ATP Potere riducente (NADPH, NADH) CELLULA VEGETALE Eucariota: alta compartimentalizzazione e specializzazione funzionale, processi metabolici in specifiche strutture subcellullari (organelli) Parete (struttura semirigida) Membrana: plasmalemma Plasmodesmi: scambio diretto tra cellule contigue attraverso discontinuità nella membrana (procanali)  Citoplasma: matrice gelatinosa costituita da acqua, metaboliti, proteine, sali minerali (citosol). Contiene gli organelli ed è dotato di citoscheletro, un sistema di filamenti proteici con funzione di sostegno, movimento organelli, traslocazione di sostanze, fuso mitotico per la divisione cellulare Nucleo: conservazione e trasmissione del materiale genetico (DNA e proteine), alcune cellule vegetali posso perdere il nucleo (tubi cribrosi) o averne più di uno (canali laticiferi) Nucleolo: nel nucleo, sintetizza RNA ribosomiale per la biogenesi dei ribosomi Reticolo endoplasmatico: sistema di cisterne formate da membrane laminari fosfolipidiche e collegate da tubuli. Il REL sintetizza i lipidi, il RER sintetizza proteine (dotato di ribosomi sulla superficie) Ribosomi: sintetizzano le proteine a partire da mRNA, possono essere liberi nel citoplasma o ancorati a membrane Apparato del Golgi: cisterne a parete liscia non interconnesse che accumulano, trasportano e secernono fuori dal citoplasma il materiale proteico, carboidrati, cere. Si frammentano formando vescicole che a contatto con la membrana cellulare rilasciano il contenuto mediante esocitosi. Scambiano materiale con altre cellule tramite i plasmodesmi. Faccia CIS riceve prodotti dal RER, faccia TRANS rilascia prodotti elaborati dal Golgi Plastidi (solo cellula vegetale) Mitocondri: produzione di energia (ATP) tramite ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa, presentano una doppia membrana con creste che delimita la matrice mitocondriale, la quale contiene enzimi, ribosomi, DNA RESPIRAZIONE AEROBICA La maggior parte del processo di respirazione cellulare avviene nei mitocondri Processo di combustione nel quale zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi, vengono demoliti in molecole ancora più semplici ottenendo energia disponibile alla cellula sotto forma di ATP. C6H12O6 +6 O2 → 6 H2O + 6 CO2 + 38 ATP Processo esotermico di ossidoriduzione formato da una catena di reazioni in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il passo successivo e in cui l'ossigeno è utilizzato come accettore di elettroni. OSMOSI: diffusione di acqua secondo gradiente di concentrazione attraverso una membrana semipermeabile Potenziale idrico: un determinato volume d'acqua possiede un'energia potenziale che esprime la sua attitudine a compiere un lavoro e dipende dalle forze a cui è soggetta Condizione standard: acqua pura a pressione e temperatura ambiente – potenziale idrico = 0 Ψw = ΨP+ Ψπ + Ψm Ψw = potenziale idrico (capacità dell’H2O di compiere un lavoro) ΨP = potenziale di pressione: effetto esercitato dalla pressione Ψπ = potenziale osmotico: effetto dei soluti sull’H2O (valori negativi) Ψm = potenziale di matrice: dovuto all’adsorbimento dell’H2O di componenti solide e non solubili (valori negativi) Potenziale osmotico: il potenziale osmotico o potenziale di soluto è generato dalla tensione osmotica, forza con cui un soluto lega l'acqua Le molecole e gli ioni solubilizzati esercitano forze di attrazione elettrostatica sulle molecole d'acqua riducendone l'attività. La tensione osmotica è sempre negativa. 𝜋 = −𝑚 × 𝑖 × 𝑅 × 𝑇 m = concentrazione molare R = costante dei gas (8.3144 J/mol K) T = temperatura assoluta i = fattore di Van’t Hoff che esprime il grado di dissociazione elettrolitica Tra due ambienti separati da una membrana semipermeabile l’acqua si muove dall’ambiente con potenziale idrico maggiore all’ambiente con potenziale idrico minore, quindi dall’ambiente con minore potenziale osmotico all’ambiente con maggiore potenziale osmotico. L’acqua si sposta andando a diluire la soluzione più concentrata (dalla soluzione ipotonica a quella ipertonica) MEMBRANA PLASMATICA Modello a mosaico fluido formato da fosfolipidi e steroli (stigmasterolo) Protezione dell’integrità cellulare Mantenimento dell’omeostasi cellulare Coordinazione attività di diverse cellule Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili a H2O e gas ma impermeabili a ioni e molecole di dimensioni maggiori Trasporto passivo, avviene secondo gradiente, non richiede energia attraverso CANALI: Diffusione semplice di piccole molecole (ormoni, ossigeno, azoto, CO2) Diffusione facilitata: i substrati si legano alla proteina carrier che cambia conformazione rilasciando il substrato nel lato opposto. Avviene secondo gradiente di concentrazione: il soluto è neutro e si muove solo in base alla sua concentrazione Gradiente elettrochimico: le membrane hanno un potenziale di membrana, il soluto è carico e si muove sia in funzione della sua carica (forza elettrochimica) che della sua concentrazione Trasporto attivo, avviene contro gradiente, richiede energia ottenuta dalla conversione di ATP ad ADP Primario attraverso POMPE: utilizza direttamente l’energia che deriva dalla scissione del legame fosfato dell’ATP Secondario attraverso CARRIERS: utilizza l’energia di un gradiente di concentrazione precedentemente generato da un trasporto attivo primario Trasporto dei soluti Uniporto Simporto: due soluti nella tessa direzione Antiporto: due soluti in direzioni opposte VACUOLO Compartimento di accumulo di maggiori dimensioni della cellula vegetale. Circondato da una membrana detta tonoplasto: membrana asimmetrica 7/10nm ricca di proteine che mediano diverse forme di trasporto Proteine carriers (permeasi) Acquaporine Pompe di protoni: spostano protoni dal citoplasma al succo vacuolare che risulta quindi acido (PH 5-6) Contiene una soluzione interna detta succo vacuolare Ha un PH acido Composizione diversa dal citoplasma, contiene acqua, sostanze in soluzione, colloidi (sostanze in sospensione) È attraversato da briglie citoplasmatiche. FUNZIONI Ruolo osmotico Limitazione della massa citoplasmatica PH e omeostasi Il vacuolo è sede di fenomeni osmotici attraverso la membrana del tonoplasto, la differenza di concentrazione di molecole/ioni tra succo vacuolare e ambiente esterno alla cellula determina la direzione prevalente del flusso d’acqua. TURGORE: pressione idrostatica esercitata dal contenuto delle cellule vegetali sulla membrana questa pressione è bilanciata dalla resistenza meccanica della parete cellulare. Pressione osmotica dal vacuolo = pressione di turgore controesercitata dalla parete Al turgore è legata la solidità meccanica degli organi erbacei poveri di tessuti di sostegno, l’appassimento è dato dalla caduta del turgore, la cellula diventa flaccida e va incontro a plasmolisi. Anche i movimenti di apertura e chiusura degli stomi (traspirazione della foglia) sono determinati da una variazione del turgore. Funzione del turgore per la crescita: L’elongazione può essere innescata dalle auxine (ormone IAA) il quale si lega ai recettori cellulari e determina una diminuzione nel PH della cellula. L'aumentata acidità porta a una perdita in parete cellulare con conseguente ingresso di acqua e ingrandimento del vacuolo. La parete cellulare viene stirata dalla pressione creata dall’acqua all’interno del vacuolo e la cellula si ingrandisce. Riserva Contiene acqua, ioni inorganici, enzimi idrolitici (proteine), metaboliti primari quali acidi organici, carboidrati e amminoacidi e metaboliti secondari e sono spesso presenti degli inclusi (sostanze solide non solubilizzate). I carboidrati si trovano nei parenchimi di riserva dei frutti, nella radice nel fusto. Glucosio, saccarosio, fruttani e mannani e mucillagini. Svolgono diversi meccanismi di regolazione: legano le molecole d'acqua, abbassano il punto di congelamento e fanno diminuire il potenziale idrico richiamando acqua nel vacuolo. I corpi proteici sono piccoli vacuoli di riserva specializzati nell'accumulo di sostanze proteiche che si trovano nelle cellule dell’endosperma o dei cotiledoni dei semi. Durante la germinazione il contenuto dei corpi proteici viene idrolizzato per fornire substrati ed energia per la crescita della pianta, quando l'idrolisi delle sostanze di riserva è completata i corpi proteici, diventano piccoli vacuoli acquosi che si fonderanno poi a formare il grande vacuolo. Sono anche detti granuli di aleurone, costituiti da una matrice proteica che include un paracristallo proteico e un globoide costituito di fitina (riserva di fosforo) I tessuti vegetali possono accumulare anche sostanze allo stato solido. Cristalli di ossalato di calcio, la loro presenza e la loro peculiare forma può essere un fattore di discriminazione (carattere diagnostico) di materiale vegetale intero/polverizzato. Tipi di cristalli: Stiloidi (prismi) Druse e rosette (cluster) Rafidi (cristalli aghiformi) Microcristalli (sabbia cristallina) Funzioni: sequestro di calcio dal citoplasma, detossificazione dall'eccesso di acido ossalico, difesa dagli erbivori (i tessuti diventano inappetibili agli animali) Funzioni digestive Svolge la funzione idrolitica esplicata dai lisosomi nelle cellule animali, inoltre il vacuolo è coinvolto nel turnover di quasi tutti i componenti cellulari. Accumulo e segregazione di metaboliti secondari Difesa da patogeni microbici e da erbivori Il vacuolo si occupa dell'accumulo di metaboliti che dispersi nel citoplasma potrebbero danneggiare la cellula, dell'accumulo di pigmenti per colorare la pianta con funzioni di attrazione di insetti impollinatori e disseminatori, dell'accumulo di sostanze tossiche quali metaboliti secondari che servono ad allontanare gli erbivori e accumula ioni inorganici come K+, Cl- PARETE CELLULARE Compressa struttura polimerica che si organizza in maniera continua e dinamica esternamente al plasmalemma, mantenuta in tensione grazie al turgore. Separa e mantiene in comunicazione l’interno e l’esterno della cellula, dotata di elevata robustezza e flessibilità unite alla possibilità di subire modificazioni per ruoli mirati. Funzioni Protezione contro danni abiotici e biotici e interazione con l’ambiente Filtro passivo costituito da maglie di cellulosa e di eteropolisaccaridi Filtro attivo (per la presenza nella parete di componenti enzimatici) di sostanze provenienti da/e verso il citoplasma Sostegno Fase giovanile: struttura flessibile che può essere smantellata per dare origine a nuove cellule figlie Differenziazione completa: meno elastica, più spessa e si può impregnare di sostanze complesse come la lignina e la suberina Talora può occupare quasi interamente il lume dando origine a una struttura funzionale meccanica fisiologicamente morta Bilanciamento: agisce in associazione con il vacuolo opponendosi al suo eccessivo rigonfiamento attraverso una pressione osmotica bilanciata Forma: la parete determina la forma della cellula (parallelepipedo) base per la formazione dei grandi vasi che permettono il trasporto della linfa grezza e della linfa elaborata. Gli esempi di cellule vegetali non condizionate dalla forma di base data dalla parete cellulare sono molto pochi e tra questi si citano il tubo pollinico e i canali laticiferi non articolati Struttura La parete cellulare è composta da Frazione microfibrillare: cellulosa, emicellulose, sostanze pectiche, proteine (glicoproteine/enzimi), acqua e può contenere anche lignina, suberina o cutina Matrice: carboidrati di natura polimerica Tre parti distinte per differente costituzione chimica, ruolo e aspetti morfologici Dall'esterno all’interno troviamo: Lamella mediana Primo elemento prodotto della parete subito dopo la citodieresi e si trova nella parte più esterna. É costituita da pectine. Ha la funzione di unire tra loro le cellule dando coesione meccanica ai tessuti, strutturalmente appartiene nella sua interezza a due cellule contigue. Parete primaria Composta per circa un terzo di cellulosa e per il resto da pectine ed emicellulosa. La matrice è, quindi, prevalente sulla sostanza fibrillare. Microfibrille di cellulosa sono disposte in modo disordinato (tessitura dispersa) e con un intreccio irregolare, che tuttavia evidenzia un orientamento prevalentemente trasversale, sempre più evidente a mano a mano che la cellula si distende. La funzione della parete primaria è quella di assecondare plasticamente la crescita per distensione della cellula, assicurandone un rivestimento meccanico funzionale al mantenimento della forma e al contenimento del protoplasto. Parete secondaria Rispetto alla totalità della parete ne costituisce la parte preponderante non è, però, sempre presente (tipica dei tessuti di trasporto e di sostegno). Il ruolo della parete secondaria è quello di dare alla cellula adulta una forma ed una dimensione definitive e caratterizzarne la funzione istologica e organo-specifica. Il sistema fibrillare è la componente più abbondante (fino al 95%) e questo determina una capacità elastica fortemente ridotta a vantaggio di proprietà di solidità meccanica. Composizione che vede prevalere la cellulosa (oltre 50%) sull’emicellulosa, con le pectine pressoché assenti. Nella parete secondaria si concentrano le modificazioni a carico della parete determinandone la specificità chimica e funzionale. Può essere generalmente distinta nel suo spessore in tre strati, dall’esterno verso l’interno denominati S1, S2, S3 in base alla sequenza della loro sintesi. La distinzione è soprattutto in riferimento al tipo di orientamento Microfibrillare, come regola di ordine generale, si può affermare che le microfibrille della parete secondaria si presentino a tessitura parallela. Carboidrati o glucidi Monosaccaridi: zuccheri semplici (glucosio, fruttosio, ribosio) Oligosaccaridi: polimeri di zuccheri semplici (8/10 unità) Polisaccaridi: polimeri con numero di unità molto elevato, hanno valore strutturale e di riserva. Cellulosa (parete cellule vegetali), amido (riserva per le piante), glicogeno (riserva per gli animali), fruttani Cellulosa La cellulosa è il costituente che caratterizza il sistema fibrillare della parete. Si tratta di un glucano, ovvero di un polimero di glucosio con legami glucosidici β-(1,4) Ogni molecola di glucosio è ruotata di 180° rispetto alla molecola adiacente a formare un dimero detto cellobiosio. Configurazione spaziale assolutamente lineare, con tutti i gruppi -OH rivolti verso l’esterno che le permette di legarsi ad altre catene cellulosiche. Le singole catene filiformi della cellulosa sono associate a formare più fasci che prendono il nome di MICELLE a loro volta, i fasci di queste micelle si riuniscono tra loro per formare le MICROFIBRILLE che si associano per costituire le MACROFIBRILLE. Il grado di polimerizzazione delle molecole di cellulosa varia da parete primaria a parete secondaria. La biosintesi della cellulosa avviene a carico dei complessi della rosetta localizzati sul plasmalemma. La biosintesi della componente matriciale (sia polisaccaridica che glicoproteica) avviene nel Golgi dove i prodotti si accumulano nel lume prima di essere trasportati mediante vescicole verso la parete cellulare in formazione. Vi sono strutture trans-membrana con caratteristica forma a rosetta costituite da 6 subunità sulla membrana. Ciascuna rosetta ha un tempo di emivita di 10-15 minuti durante il quale produce dai 500 ai 900 nm di microfibrilla al minuto. Ogni subunità sintetizza e produce verso l’esterno catene glucaniche che si assemblano assieme a quelle delle altre subunità. Le microfibrille vengono orientate e ordinate grazie a componenti del citoscheletro che formano dei canali nella membrana nei quali le microfibrille vengono prima orientate e successivamente depositate nella matrice a far parte della parete. Emicellulose Sono eteropolisaccaridi costituiti da molecole di zuccheri differenti tra loro a struttura ramificata e non. Gli esosi più ricorrenti in questi polimeri sono il mannosio, il glucosio e il galattosio mentre tra i pentosi lo xilosio e l’arabinosio. Legano i filamenti di cellulosa contribuendo alla solidità meccanica della tessitura. La caratteristica principale delle emicellulose è la loro facile idratazione. L’imbibizione provoca il loro rigonfiamento con la conseguenza di trasferire tale caratteristica alle pareti delle fibre di cui sono parte integrante, determinano così una lubrificazione degli strati interni della fibra (maggiore flessibilità). In natura le emicellulose sono amorfe, possiedono proprietà adesive e tendono pertanto a cementare o ad assumere un aspetto corneo tipico, quando si disidratano. Solo gli arabinogalattani sono cristallini e solubili in acqua. Pectine Eterogeneo gruppo di polisaccaridi acidi o neutri (monomero principale: acido galatturonico), con catene più o meno ramificate. Fortemente idrofili, formano gel che conferisce plasticità e flessibilità alla parete Importanti per crescita, sviluppo e difesa delle piante. Proteine e oligosaccaridi La parete cellulare (in particolare delle cellule in crescita) contiene molte proteine. Alcune svolgono un ruolo più propriamente strutturale e regolativo (estensine), mentre altre (idrolasi e ossidasi) hanno azione enzimatica. Anche l’assunzione delle sostanze all’interno della cellula, oppure il rilascio all’esterno, è regolata dalla presenza di proteine e di polisaccaridi con gruppi polari adatti a interagire soprattutto con i composti ionici. Plasmodesmi La parete cellulare primaria è attraversata da plasmodesmi (nei procanali) che mettono in comunicazione i citoplasmi di cellule vicine: simplasto Insieme delle pareti cellulari: apoplasto I plasmodesmi sono raggruppati dando origine a Punteggiatura primaria: addensamento dei plasmodesmi nella parete primaria Punteggiatura: addensamento dei plasmodesmi nella parete secondaria Importanza farmaceutica della parete Essendo in possesso di numerose proprietà fisico-meccaniche e data la loro abbondanza e relativamente agevole reperibilità, le sostanze presenti nella parete cellulare trovano diverse applicazioni pratiche. Oltre che nella produzione di carta e tessuti, la cellulosa trova impiego farmaceutico diffuso nel cotone idrofilo, in garze, in ovatta per assorbenti ecc. Mentre per l’ovatta di cellulosa si possono impiegare prodotti diversi (canapa, kenaf, pioppo ecc.), per garze e tamponi chirurgici si impiega il cotone rivestiti esternamente da tricomi unicellulari morti nei quali la parete cellulare risulta essere stata completamente composta di cellulosa pura. Modificazioni della parete Lignificazione: polimero di natura fenolica (lignina) che si deposita tra le fibre di cellulosa quasi esclusivamente nella parete secondaria. É una modificazione idrofobica, infatti, la lignina, idrofoba, si sostituisce all’acqua. La lignificazione conferisce rigidità e maggiore resistenza alla compressione inoltre rende le strutture impermeabili e resistenti agli attacchi di microorganismi. Quando l’accrescimento e la lignificazione sono conclusi la cellula muore. Cuticola: strato superiore di cere, strato mediano costituito da cutina inclusa in cere, strato inferiore costituito da cutina e cere miscelate con componenti pectiche (strato cuticolare). Barriera alla perdita d’acqua e resistenza a patogeni e insetti. Modificazione tipica della parte aerea. Suberina: modificazione tipica della parte sotterranea della pianta (banda del Caspary) attraverso deposizione di suberina, un polimero di acidi grassi idrossilati che aumenta la resistenza agli agenti chimici ed ai parassiti. Occlude i plasmodesmi, impermeabilizza e conduce alla morte cellulare.  Gelificazione: aumento nella parete cellulare di pectine che legano l’acqua (cuffia radicale) Mineralizzazione: deposizione di sostanze minerali, carbonati o silicati, rendono la parete dura. Funzioni di difesa e meccaniche. PLASTIDI Gruppo di organuli dinamici capaci di svolgere numerose funzioni, ogni tipo di plastidio svolge un tipo specifico di attività metaboliche Sono dotati di: Una membrana esterna e una interna Fluido interno detto stroma DNA circolare e ribosomi Genesi dei plastidi Tutti i plastidi dei tessuti maturi derivano da altri tipi di plastidi Proplastidi: organelli indifferenziati presenti nelle cellule meristematiche Prima di ogni divisione cellulare deve avvenire una duplicazione dei proplastidi, i plastidi possono poi dividersi anche in fase adulta Differenziamento Il tipo, il numero e le dimensioni dei plastidi dipendono dal programma di sviluppo della cellula nel tessuto a cui appartiene. Teoria endosimbiotica sull’origine dei plastidi Endosimbiosi tra un eucariota ancestrale e un cianobatterio avvenuta circa 1,5 miliardi di anni fa dando origine a tutti gli organismi eucarioti fotoautotrofi. (i cloroplasti hanno molte somiglianze con i batteri fotosintetici) La teoria è sostenuta da: Presenza di DNA circolare a doppia elica, non compartimentato ed in grado di duplicarsi  Presenza di ribosomi che effettuano sintesi proteica con caratteristiche simili a quelle dei procarioti Divisione per scissione binaria Omologia di alcune proteine: presenza di una RNA-polimerasi omologa a quella dei cianobatteri CLOROPLASTO Biogenesi La luce è il fattore ambientale più importante per il differenziamento dei cloroplasti, agisce sull’espressione genica nucleare e plastidica. La protoclorofillide viene convertita in clorofilla grazie ad un enzima attivato dalla luce. Quando una coltura cellulare viene mantenuta al buio dai proplastidi si differenziano gli ezioplasti. Struttura Il colore verde è il risultato della presenza di pigmenti fotosintetici (clorofilla a, b) che assorbono luce. Racchiusi in un envelop costituito da una membrana a doppio strato interno ed esterno separati dallo spazio intermembrana riempito da stroma, una matrice contenente enzimi, granuli di amido I, ribosomi 70s, copie del genoma del cloroplasto e plastoglobuli (chinoni, carotenoidi, galattolipidi e scarse proteine). Membrana tilacoide: ripiegata, forma delle strutture discoidali dette tilacoidi che racchiudono una regione centrale acquosa detta lumen. I tilacoidi sono impilati a formare dei grana connessi dalle lamelle stromali, La membrana esterna è permeabile a piccole molecole organiche, contiene numerose porine. La membrana interna è meno permeabile e attraversata da molte proteine. FOTOSINTESI Durante la fotosintesi con la mediazione della clorofilla, la luce solare (o artificiale) permette di convertire sei molecole di CO2 e sei molecole d'H2O in una molecola di glucosio (C6H12O6), zucchero fondamentale per la vita della pianta. Come sottoprodotto della reazione si producono sei molecole di ossigeno, che la pianta libera nell'atmosfera attraverso gli stomi che si trovano nella foglia. La formula stechiometrica della reazione è: 6CO2+6H2O → C6H12O6+6O2 Intermediari fondamentali di queste reazioni sono ATP e NADPH Pigmenti sostanze che assorbono lunghezze d’onda specifiche dello spettro elettromagnetico. I pigmenti fotosintetici trasferiscono l’energia luminosa assorbita agli elettroni che partecipano alle reazioni chimiche. Il pigmento fotosintetico fondamentale è la clorofilla a. Anche altri pigmenti tra cui i carotenoidi e le xantofille sono presenti nei cloroplasti, servono come pigmenti accessori che acquisiscono energia solare non assorbita dalla clorofilla e la cedono a quest’ultima. Spettro di assorbimento Clorofilla a e clorofilla b assorbono soprattutto la luce blu e quella rossa e riflettono la luce verde e quella gialla. Per questo la maggior parte delle piante appare di colore verde. Carotenoidi (pigmenti accessori) sono sensibili alla luce tra 350-520 nm (violetto, blu, ciano) e sono il motivo per cui le foglie di alcune specie possono tendere al giallo e al rosso. Sono presenti in un rapporto 3:1 con la clorofilla a; questo maschera in parte la loro colorazione. Trasferiscono il 10% dell’energia assorbita, il loro ruolo sembra essere protettivo assorbendo l’energia in eccesso. In autunno, le piante caducifoglie degradano la clorofilla a per riconvertirla in energia di scorta per la ripresa vegetativa primaverile, recuperando parte degli elementi di cui è composta. I carotenoidi sono più difficili da riconvertire, vengono quindi lasciati nelle foglie e donano il tipico colore autunnale giallo-rossastro, non essendo più mascherati dalla clorofilla a. Clorofilla c: presente nelle alghe, come le diatomee e le alghe brune; ha picchi di assorbimento concentrati sui 395, 450, 581 e 629 nm (violetto, ciano, giallo e arancio). Altri pigmenti coinvolti nel meccanismo di assorbimento della luce tra i quali: le xantofille, di colore giallo la ficoeritrina, di colore rosso, presente in molte alghe rosse le ficocianine, di colore verde-azzurro, presenti nei cianobatteri FASI della fotosintesi Fase fotochimica luce-dipendente e temperatura-indipendente (reazioni luminose) - fotofosforilazione: viene assorbita energia luminosa e usata per costituire molecole che fungono da riserva energetica (ATP, NADPH), le reazioni avvengono a carico di complessi proteici localizzati nelle membrane tilacoidali a cui sono legate le molecole di clorofilla Fase luce-indipendente e temperatura-dipendente (reazioni oscure) – organicazione del carbonio: vengono usati i prodotti della fase precedente (ATP  e NADPH) per captare e ridurre la CO2, le reazioni avvengono a carico di enzimi localizzati nello stroma FOTOSISTEMI All'interno dei tilacoidi i pigmenti ed i trasportatori di elettroni sono presenti in complessi proteici integrali di membrana detti unità fotosintetiche: fotosistema I (PSI) e il fotosistema II (PSII) i quali utilizzano l’energia della luce per mediare il trasferimento di elettroni. Il PSI è composto da più di 110 cofattori, un numero più elevato di quello dei cofattori presenti nel PSII. I cofattori dei fotosistemi sono in grado di catturare l'energia luminosa, ma solo la clorofilla è in grado di attivare la reazione fotosintetica. Le molecole che hanno solo funzione di captazione sono dette molecole antenna; quelle che attivano il processo fotosintetico sono definite centri di reazione. Trasferimento di elettroni La molecola di clorofilla assorbe fotoni e cede elettroni. Quando un fotone colpisce un elettrone quest’ultimo passa al livello dello stato di eccitazione (maggiore energia), essendo instabile l’elettrone può cedere energia (fluorescenza) e tornare allo stato fondamentale o può spostarsi su un orbitale più stabile di un altro atomo. REAZIONI LUMINOSE La clorofilla a assorbe fotoni e cede elettroni per operare una riduzione di NADP a NADPH (consuma protoni). La molecola di clorofilla riguadagna gli elettroni ceduti quando una molecola di acqua viene scissa nel processo di fotolisi, che rilascia ossigeno molecolare come scarto. La catena di trasposto di elettroni e la fotolisi dell’acqua determinano un gradiente elettrochimico. Il gradiente protonico (gradiente energetico) lungo la membrana tilacoide del cloroplasto è usato per sintetizzare ATP attraverso un processo detto fotofosforilazione chemiosmotica La scissione della molecola di H2O che produce H+ e OH- avviene nel lumen del tilacoide. L’interno del tilacoide accumula protoni (H+) mentre i protoni all’esterno sono consumati nella sintesi di NADPH. Il canale di membrana (ATP sintetasi) sfrutta il gradiente protonico facendo fuoriuscire gli H+ ed ottenendo l’energia sufficiente per costituire ATP da ADP e fosfato. REAZIONI OSCURE Ciclo di Calvin-Benson, richiedono consumo di ATP e NADPH. Una molecola accettore (C5) (ribulosio-1,5-bifosfato) reagisce con CO2 scindendosi in due molecole uguali ciascuna a tre atomi di carbonio (C3). L’enzima che catalizza questa reazione è detto RuBisCo. Riduzione delle molecole a 3 atomi di C (3-fosfoglicerato) in gliceraldeide 3-fosfato attraverso: fosforilazione (richiede ATP) o riduzione (richiede NADPH). Le molecole di gliceraldeide 3-fosfato sono utilizzate per la sintesi di glucosio. STOMI Gli stomi sono strutture formate da due cellule, annesse all'epidermide, presenti negli organi aerei (foglie, fiori, fusti) in tutte le piante terrestri. Consentono lo scambio gassoso fra interno ed esterno del vegetale, favoriscono l'entrata di CO2, che verrà utilizzata per la fotosintesi, e la fuoriuscita di O2 e vapore acqueo (traspirazione). Il meccanismo di apertura e chiusura è regolato dalla diversa quantità di acqua presente nelle cellule degli stomi. (cellule di guardia, quando c’è stress idrico perdono turgore e la rima stomatica si chiude) Dicotiledoni terrestri: più stomi sull'epidermide inferiore, pochi stomi sull'epidermide superiore per ridurre la perdita di acqua. Piante acquatiche con foglie galleggianti gli stomi sono localizzati solo sull'epidermide superiore. PEROSISSOMI Organuli sferoidali presenti in tutti gli organismi eucariotici, nelle piante si trovano nelle cellule fotosintetizzanti. (nelle foglie delle piante C3 hanno un ruolo fondamentale nella fotorespirazione) Contengono numerosi enzimi, la loro funzione è quella di rimuovere atomi di idrogeno da substrati organici (riduzione degli acidi grassi a catena molto lunga), consumando nel processo O2, secondo la seguente reazione: RH2+O2 → R+H2O2 Dove H2O2 è un perossido, potenzialmente dannoso che viene degradato dagli stessi perossisomi dall'enzima catalasi, secondo la seguente reazione: H2O2 → H2O + ½O2. FOTORESPIRAZIONE La RuBisCo è un sistema enzimatico bifunzionale CO2 e O2 competono per lo stesso sito attivo della RuBisCO. Oltre a catalizzare la carbossilazione del ribulosio 1,5-bifosfato (legandosi alla CO2) quando la concentrazione di CO2 atmosferica scende al di sotto di certi limiti è favorito il legame della RuBisCo con O2. Si attiva quindi la fotorespirazione che avviene nel cloroplasto, perossisoma e mitocondrio. Consumo di O2 (al livello del cloroplasto e del perossisoma) Produzione di CO2 (al livello del mitocondrio) Alla fine di questo processo che richiede energia (consuma ATP) viene rilasciata CO2 e si recuperano con l’aa serina 3 atomi di carbonio. Immissione nel ciclo di Calvin Benson di molecole di 3-fosfoglicerato Il ribulosio-bifosfato (5C) viene convertito dalla RuBisCo + O2 in 3-fosfoglicerato e 2-fosfogicolato (nel cloroplasto). Nel perossisoma viene consumato O2 e da glicolato si ottiene glicina. Nel mitocondrio la glicina viene convertita in serina con rilascio di CO2. Passando da mitocondrio a perossisoma la serina viene convertita in glicerato che con consumo di ATP viene convertito in 3-fosfoclicerato (nel cloroplasto). DIFFERENTI TIPI DI METABOLISMO FOTOSINTETICO A seconda del tipo di reazioni che avvengono nella seconda parte della fotosintesi si distinguono almeno tre gruppi di piante (metabolismo C3 e C4 e CAM). Questo rappresenta una forma di adattamento a climi diversi. A temperature molto alte la pianta perde molta acqua, per cui chiude gli stomi bloccando l’ingresso della CO2. La fotosintesi prosegue (alta irradianza), l’O2 internamente aumenta e questo in grandi quantità può essere dannoso per i tessuti della pianta. La RuBisCO può legarsi all’O2: fotorespirazione, riciclo di CO2 a spese di energia. In luoghi tropicali dove c’è alta irradianza le piante C3 rischiano di andare in deficit energetico (stromi chiusi, no CO2, troppa fotorespirazione), quindi in questi luoghi si è evoluto un metabolismo diverso (C4) che limita la fotorespirazione impedendo alla RuBisCO di legarsi all’ O2 e incrementa la resa fotosintetica grazie ad una particolare anatomia. Metabolismo C3 e C4 nelle piante C3 la CO2 reagisce immediatamente con la RuBisCO per portare alla formazione del composto organico precursore degli zuccheri (gliceraldeide 3- fosfato), nelle piante C3 l’intercettazione dell’energia luminosa e la trasformazione della CO2 in zuccheri avvengono in tutto il mesofillo (contiene RuBisCo) C4 si hanno due tipi di cellule fotosintetiche, le cellule del mesofillo (non contengono RuBisCO) e quelle della guaina del fascio che invece la contengono. La CO2 reagisce con il fosfoenolpiruvato (PEP) nelle cellule del mesofillo, reazione catalizzata dall’enzima PEP carbossilasi e produce ossalacetato, che è poi trasformato negli acidi malico e aspartico nelle cellule della guaina del fascio (lontane dagli stomi e contenenti la RuBisCO). In queste cellule, le molecole di acido malico e aspartico sono degradate da enzimi con sviluppo di CO2, in seguito trasformata in zuccheri utilizzando la via C3 canonica. Nelle cellule della guina del fascio la RuBisCO troverà solo CO2 e non O2 riducendo al minimo la possibilità di fare fotorespirazione. (mais, canna da zucchero, sorgo) Metabolismo CAM Le Crassulacee (piante succulente) vivono in ambienti caldissimi e secchi (pochissima acqua), non possono aprire gli stomi durante il giorno (per evitare evapotraspirazione eccessiva) ma solo durante la notte. La CO2 viene immagazzinata come acido malico (attraverso la PEP carbossilasi) e stoccato nei vacuoli, dando alle cellule della pianta una grande acidità (metabolismo CAM = Crassulacee Acid Metabolism). Durante il giorno la CO2 viene liberata e può reagire con la RuBisCO a stomi chiusi. Le CAM non separano spazialmente (cellule mesofillo e guaina del fascio) ma temporalmente la CO2 dalla RuBisCO. Vi sono piante a metabolismo CAM anche tra le epifite che vivono sugli alberi (orchidee), per via della poca disponibilità di acqua. Anche alcune piante acquatiche sono CAM per via della bassa pressione parziale della CO2 nell’acqua e la competizione con gli altri organismi per acquisire CO2 (nella notte è più vantaggioso). Alcune piante possono alternare il ciclo C3 o C4 al CAM. Nutrizione Autotrofa: Chemiosintesi (energia da reazioni chimiche esoergoniche) Fotosintesi (energia luce solare) Eterotrofa (in base alla provenienza delle sostanze organiche) Saprofitismo Parassitismo Simbiosi Fotosintesi anossigenica Esistono processi che usano altri composti al posto dell’H2O come donatori di elettroni (es. arsenito che viene convertiti in arsenato). Riguarda alcuni cianobatteri anaerobi estremofili che vivono in luoghi ricchi di arsenico. PLASTIDI NON FOTOSINTETICI Ezioplasti: contengono dei corpi prolamellari, che sono tubuli ramificati formati da aggregazioni membranose di lattice semicristallino che contiene il pigmento precursore della clorofilla. I corpi prolamellari sono aggregati secondo pattern geometrici. La formazione dei cloroplasti è reversibile e dipende dall’esposizione alla luce, in assenza di quantità sufficienti di radiazione luminosa la pianta trasloca la clorofilla e disassembla i tilacoidi per recuperare risorse, i cloroplasti perdono la loro pigmentazione, divenendo incolore, in questa situazione si parla di ezioplasti. Cromoplasti: Classe di plastidi non fotosintetici contenenti elevate quantità di carotenoidi. Responsabili della colorazione giallo, arancio o rossa di diversi organi come fiori e frutti. La loro funzione è vessillare (es. attrazione impollinatori, disseminatori). Di solito derivano dalla trasformazione di cloroplasti (può essere reversibile) Transazione del cloroplasto a cromoplasto Disintegrazione dei tilacoidi Plastoglobuli (particelle lipidiche contenenti glicoproteine e pigmenti) incrementano in grandezza e numero Accumulo di carotenoidi (licopene) Formazione delle sacche membranose Stromuli (reti di tubicini contenenti stroma che connettono i cloroplasti al nucleo) incrementano in grandezza Il differenziamento è influenzato da: ormoni, temperatura, luce, stress A seconda di come si organizzano i carotenoidi si distinguono cromoplasti: Globulari: stroma proteico con granuli (plastoglobuli sferoidali contenenti pigmenti, lipidi, proteine) Cristallini: accumulo di cristalli di licopene e β-carotene interni a membrane ed associati a proteine (tipici del pomodoro) Fibrillari: fibrille di lipidi, pigmenti proteine che riempiono lo stroma con pochi plastoglobuli Membranosi: pigmenti immagazzinati in un’estesa membrana avvolta elicoidalmente, contengono pochi plastoglobuli e pochi pigmenti Amiloplasti: riserva d’amido secondario RISERVE DI ENERGIA A breve termine: NADPH e ATP non possono essere conservati a lungo né trasportati per lunghe distanze A medio termine: glucosio e saccarosio che viaggiano attraverso il floema (linfa elaborata), se troppo concentrati alterano i processi osmotici della cellula A lungo termine: Amido (polimero del glucosio ad alto peso molecolare), lipidi Polisaccaridi Cellulosa: polimero lineare, le molecole parallele formano legami a idrogeno producendo sottili fibrille Amido: polimero ramificato, le ramificazioni lo rendono meno compatto della cellulosa Glicogeno: polimero altamente ramificato, depositi più compatti rispetto all’amido AMIDO polisaccaride formato dall’unione di due diversi polimeri del glucosio: l’AMILOSIO (unità di alpha-glucosio lineare) e l’AMILOPECTINA (unità di alpha-glucosio a catena ramificata). La sintesi dell’amido avviene nei cloroplasti in conseguenza della fotosintesi Percentuali dei due polimeri variano a seconda dell’organismo vegetale, maggiore concentrazione di amilopectina causa la maggiore tendenza a trattenere acqua e quindi il rigonfiamento delle cellule (es. patata). Ciclo dell’amido L’amido primario si forma durante la fotosintesi nei cloroplasti dove è deposto in granuli. Durante la notte l’amido viene idrolizzato in zuccheri semplici i quali vengono poi trasferiti negli organi di riserva (amiloplasti) dove si ripolimerizzano a formare l’amido secondario Granuli: incluso solido plastidiale, si accumula negli amiloplasti sotto forma di granuli di forma varia (significato tassonomico e farmaco diagnostico). Ogni granulo presenta un punto centrale detto ILO che rappresenta il primo punto di aggregazione nella formazione del granulo di amido. I granuli sono semplici (deposizione intorno ad un unico ILO) o composti quando risultano dall’ aggregazione di più granuli semplici. Usi polvere eccipiente (sostanza priva di attività farmacologica che si mescola ad una sostanza attiva per facilitarne la somministrazione). Serve per la preparazione di capsule e compresse salda d’ amido viene utilizzata come antidoto nell’avvelenamento da bromo e iodio (si forma riscaldando i granuli a 50-80 °C; i granuli si rigonfiano formando una massa gelatinosa) Parte integrante di farine e prodotti alimentari e dietetici Statoliti I granuli possono svolgere anche funzione percettiva del geotropismo della radice. Avendo una massa superiore del citoplasma circostante i granuli di amido si collocano verso il basso determinando la percezione della gravità alla radice che di conseguenza crescerà seguendo quella direzione. CITOSCHELETRO Il citoscheletro forma un reticolo tridimensionale di filamenti proteici immerso nel citoplasma delle cellule eucariote. Funzione: determina la dislocazione degli organelli cellulari, controlla i processi di formazione della parete e di divisione cellulare. Permette la formazione di ciglia, flagelli, fragmoplasto, fibre del fuso, correnti citoplasmatiche. È costituito da tre tipi di polimeri proteici filamentosi: filamenti intermedi, microtubuli e filamenti di actina. Filamenti di actina (microfilamenti): due catene filamentose della proteina actina avvolte a formare un’elica Funzioni: stabilizzare la forma cellulare, concorrere ai movimenti di contrazione cellulare, costruzione della parete, movimento del nucleo prima e dopo la divisione cellulare, crescita apicale del tubetto pollinico, movimento degli organelli, organizzazione reticolo endoplasmatico, correnti citoplasmatiche Filamenti intermedi: stabilizzano la struttura cellulare grazie alle loro caratteristiche meccaniche di resistenza alla tensione. Ne esistono cinque tipi diversi costituiti da proteine fibrose simili alle cheratine. Si inseriscono con i loro terminali sulle membrane degli organuli stabilizzandone la posizione. Microtubuli: concorrono a determinare l’architettura cellulare e organizzare la parete, partecipano ai cambiamenti di forma delle cellule, rappresentano delle piste lungo le quali proteine motrici trasportano vescicole, ruolo nella ripartizione dei cromosomi nelle cellule figlie durante la divisione cellulare, associati a ciglia e flagelli. CICLO CELLULARE Raggiunto il massimo livello di accrescimento la cellula va incontro a divisione portando alla formazione di due cellule figlie. Il processo che porta a queste due cellule indipendenti è detto ciclo cellulare che si realizza in quattro fasi successive. Le cellule vegetali differentemente da quelle animali possono abbandonare il ciclo sia prima che dopo aver replicato il DNA (in fase G1 e in fase G2) CITODIERESI Cellule animali: solco di scissione, anello contrattile di microfilamenti, divisione della membrana cellulare Cellule vegetali: vescicole che formano la piastra cellulare, divisione della parete cellulare attraverso formazione della lamella mediana e della parete primaria