Lezione 1 Cellula vegetale - Università degli Studi di Milano - 2024-2025 PDF

Insegnamento Scienze biologiche propedeutiche alla medicina veterinaria Unità didattica BOTANICA PROPEDEUTICA ALLE SCIENZE VETERINARIE La cellula vegetale Prof. Luciana ROSSI [email protected] Anno accademico: 2024-2025 CHE COSA E’ UNA CELLULA? La cellul...

Insegnamento Scienze biologiche propedeutiche alla medicina veterinaria Unità didattica BOTANICA PROPEDEUTICA ALLE SCIENZE VETERINARIE La cellula vegetale Prof. Luciana ROSSI [email protected] Anno accademico: 2024-2025 CHE COSA E’ UNA CELLULA? La cellula UNITA’ MORFOFUNZIONALE I non-viventi non hanno Tutti gli esseri viventi sono formati da cellule cellule. (monocellulari o pluricellulari). La cellula è quindi l'unità di base di ogni essere vivente.  Cellule= unità base della materia vivente Possono funzionare in maniera indipendente (colture) Unicellulari Pluricellulari La cellula fu scoperta da Robert Hooke nel 1665. Osservando al microscopio un sottile pezzo di sughero, Hooke notò delle piccole strutture a forma di compartimenti, che chiamò "cellule" (dal latino cellulae, che significa "piccole stanze"). Hooke vide le pareti cellulari delle cellule vegetali morte, poiché i microscopi dell'epoca non permettevano di osservare le cellule vive. PRINCIPI FONDAMENTALI DELLA BIOLOGIA Matthias Schleiden, Theodor Schwann Teoria cellulare e Rudolf Virchow, XIX secolo. La teoria cellulare descrive le proprietà e l'organizzazione delle cellule negli organismi viventi. 1)Tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule. 2) La cellula è l'unità fondamentale della struttura e della funzione negli organismi viventi. Tutte le funzioni vitali avvengono all'interno delle cellule, che sono responsabili della crescita, del metabolismo e della riproduzione. 3) Le cellule derivano solo da altre cellule preesistenti, Omnis cellula e cellula (Rudolf Virchow, 1858). Ogni nuova cellula si forma attraverso la divisione di una cellula preesistente. Teoria cellulare oggi… La teoria cellulare moderna ha subito alcune espansioni DNA come materiale ereditario Flusso di energia nelle cellule (ATP) Attività cellulare regolata da segnali chimici QUALI TIPI DI CELLULE ESISTONO? Cellule procariote (prima del nucleo) Cellule eucariote (eu-karion: vero nucleo) Caratteristiche in comune: membrana cellulare (che separa l’ambiente interno da quello esterno) materiale genetico (l’informazione ereditaria che dirige le attività della cellula e le consente di riprodursi e trasmettere i suoi caratteri ai discendenti) Citoplasma Ribosomi Cellule procariote (prima del nucleo) Cellule eucariote (eu-karion: vero nucleo) Differenze nei processi di La principale differenza sta nella localizzazione del trascrizione e materiale genetico: traduzione -LE CELLULE PROCARIOTE possiedono il materiale genetico libero nel citoplasma -LE CELLULE EUCARIOTE possiedono il materiale genetico segregato all’interno di un nucleo circondato da una membrana.  Evento significativo: evoluzione Differenze tra cellule procariote e eucariote: la dimensione 1-10 micrometri 10-100 micrometri  PROCARIOTI I progenitori dei viventi erano procarioti (3 miliardi di anni fa) Non possiedono organuli (ad eccezione dei ribosomi). Le funzioni cellulari sono espletate da complessi enzimatici analoghi a quelli delle cellule eucariote. Possono presentare ciglia e flagelli (movimento e/o alimento) Alcuni possiedono una parete esterna alla membrana citoplasmatica. Alcuni sono sporigeni  EUCARIOTI Protisti (Protozoi, unicellulari, eterotrofi con cellula animale; alghe unicellulari o pluricellulari con cellula vegetale) Piante Funghi Animali  EUCARIOTI I primi eucarioti si formarono a partire da organismi procarioti che avevano dominato gli oceani per quasi 2 miliardi di anni. Possono essere unicellulari (primi comparsi) o pluricellulari Presentano un'organizzazione più complessa.  EUCARIOTI Le cellule eucarioti presentano organuli cellulari (corpuscoli ben differenziati e provvisti di una loro membrana di separazione dal citoplasma). Gli organuli separano fisicamente complessi di reazioni specifiche, in modo che esse si svolgano indipendentemente le une dalle altre. Possibilità di svolgere, contemporaneamente, più funzioni, anche se incompatibili tra di loro. Le cellule eucarioti sono suddivise in zone funzionali in cui possono avvenire contemporaneamente reazioni metaboliche che richiedono differenti condizioni Differenze nella sintesi proteica tra le cellule eucarioti e procarioti Il DNA traduce il suo messaggio sintetizzando una proteina (funzionale o costitutiva) I GENI sono la base dell’ereditarietà genetica Nel ribosoma il messaggio viene tradotto e avviene la sintesi della proteina  * * * * * * * * Differenze nella sintesi proteica tra le cellule eucarioti e procarioti Ribosomi 70S e 80S? La traduzione, uno dei processi più conservati in tutti gli organismi viventi, è il processo cellulare più complesso per numero di componenti e di interazioni molecolari implicate e impegna una gran parte delle risorse energetiche della cellula. (Coefficiente di sedimentazione ) Le dimensioni dei ribosomi vengono espresse con il coefficiente di sedimentazione. ll coefficiente di sedimentazione è un numero adimensionale che misura il rapporto tra la velocità di sedimentazione (ultracentrifugazione in gradiente di intensità) di un corpo ideale (SFERA) e quella del corpo in esame (organulo o macromolecola), a parità di condizioni di riferimento. Più sono "grandi" le particelle più sarà grande la velocità di sedimentazione e quindi avranno un più alto valore in unità SVEDBERG (S).  Ribosomi 70S e 80S? I batteri e gli archeobatteri hanno ribosomi più piccoli chiamati ribosomi 70S. I ribosomi delle cellule eucariote sono più grandi e vengono detti ribosomi 80S. La S=Svedbergs o fattore di Sedimentazione che misura quanto velocemente la molecola si muove in una centrifuga. La velocità di sedimentazione è proporzionale alla massa e alla forma della molecola, ma non in modo lineare. Le particelle legate perdono superficie. I mitocondri (degli eucarioti) hanno ribosomi piccoli 70S che vengono sintetizzati in loco e sono diversi da quelli più grandi presenti nel citoplasma. Questa osservazione ha suggerito l'ipotesi che i mitocondri (e così pure i cloroplasti nelle cellule vegetali) siano in realtà dei batteri che sono stati catturati all'interno di cellule più evolute all'inizio dell'evoluzione delle cellule eucariote. TEORIA ENDOSIMBIOTICA Endosimbiosi Spiega il passaggio dalla cellula Teoria endosimbiotica procariote a quella eucariote Endosimbiosi (dal greco: ἔνδον = dentro; συν = insieme; βιος = vita) IPOTESI: alcuni organismi furono ingeriti da altri organismi. Poiché ne trassero un VANTAGGIO EVOLUZIONISTICO di sopravvivenza reciproco, svilupparono una relazione simbiotica permanente che nelle generazioni è divenuta indissolubile e imprescindibile. Endosimbiosi Spiega il passaggio dalla cellula Teoria endosimbiotica procariote a quella eucariote Batterio aerobico: Era in grado di utilizzare Ipotesi l'ossigeno per produrre energia in modo più un batterio aerobico fu ingerito da efficiente rispetto ai processi anaerobici. un batterio anaerobio (avvelenato Cellula ospite anaerobica: Non aveva la da ossigeno) acquisendo un capacità di utilizzare l'ossigeno, quindi vantaggio reciproco. beneficiava dell'energia prodotta dal batterio aerobico. La relazione mutualistica risultò vantaggiosa per entrambi sia per la sopravvivenza che per la competizione con gli altri organismi nell’ambiente. I mitocondri e i cloroplasti Nel tempo il batterio ospitato ha perso deriverebbero da antichi procarioti materiale genetico per la codifica di tutto che si sono introdotti in cellule più ciò che non era più necessario. grandi (1,5 miliardi di anni fa)  TEORIA ENDOSIMBIONTICA Gli endosimbionti cedono evoluzionisticamente parte delle loro informazioni genetiche all'ospite che dedica parte del proprio materiale genetico per codificare proteine dedicate al simbionte permanente che inoltre perde parte delle informazioni (e funzioni) non necessarie alla sua condizione di organismo stabilmente ospitato (a differenza dei simbionti che mantengono il proprio codice integro). vantaggio evoluzionistico Perchè i mitocondri e cloroplasti deriverebbero da una endosimbiosi? I mitocondri contengono DNA diverso da quello del nucleo cellulare e simile a quello dei batteri (DNA circolare a doppia elica senza istoni, ribosomi propri e doppia membrana) I mitocondri sono organelli semiautonomi: replicano, per scissione binaria, autonomamente rispetto alla cellula. Possono essere inibiti da molecole antibiotiche (cloramfenicolo) senza danneggiare la cellula ospitante. Sono circondati da due o più membrane: la più interna delle quali mostra una composizione differente da quella delle altre membrane della cellula (presenza di molecole di cardiolipina ed assenza di colesterolo: similmente alle membrane procariotiche). Perchè i mitocondri deriverebbero da una endosimbiosi? L'analisi filogenetiche sulla sequenza del DNA suggeriscono che il DNA nucleare della cellula «madre» probabilmente contiene geni che vennero ceduti dai batteri/mitocondri originali inglobati. Alcune proteine codificate nei nuclei sono trasportate agli organelli. I mitocondri hanno genomi piccoli se paragonati a quelli dei batteri. Aumento della dipendenza sull'ospite eucariote dopo la formazione di un'endosimbiosi. Probabilmente i geni dei «batteri-mitocondri» sono andati perduti (se inutili) o si sono spostati nel nucleo. I ribosomi dei mitocondri sono come quelli trovati nei batteri (70S). Le proteine originate dai mitocondri usano, come quelle dei batteri, N-formilmetionina come amminoacido  Negli eucarioti ogni cellula è divisa da membrane le funzioni vitali si interne in vari scomparti svolgono tutte insieme in un unico scomparto QUALI SONO LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELLA CELLULA VEGETALE? Sono eucarioti!!! La cellula vegetale Unità morfo-funzionale degli organismi viventi (vegetali) Unicellulari/pluricellulari -Specializzazione Organizzazione del genoma Le dimensioni del genoma non sono sempre correlate alla complessità genetica (giglio e salamandra). GRANDE QUANTITA’ DI DNA CHE NON CODIFICA PER PROTEINE. 1. Introni 2. Sequenze di DNA ripetitivo 3. Sequenze spaziatrici Paia di basi La cellula vegetale Unità morfo-funzionale di un cellula organismo pluricellulare eucariotica (alghe unicellulari) La cellula: ANIMALE VEGETALE membrana parete plasmatica membrana citoplasma plasmatica nucleo citoplasma mitocondri nucleo ribosomi mitocondri reticolo ribosomi endoplasmico reticolo apparato di endoplasmico Golgi apparato di Golgi lisosomi perossisomi perossisomi citoscheletro citoscheletro vacuolo plastidi EUCARIOTI https://app.jove.com/science-education/v/12438/animal-and-plant-cell-structure?language=it PARETE CELLULARE Parete cellulare Struttura rigida, che circonda la membrana cellulare e conferisce alla cellula una forma definita. Parete cellulare: -FORMA -PROTEZIONE -FUNZIONE MECCANICA  Parete cellulare È il primo contatto della cellula vegetale con l'esterno Struttura della cellula vegetale -rigidità (mantenimento della FORMA) -barriera (fisica e chimica) -regolazione della pressione osmotica shock omeostatici -interviene attivamente in molti processi fisiologIci (es. assorbimento, diffusione e trasporto d’acqua, traspirazione, ecc) -plasmodesmi garantiscono i contatti con le cellule adiacenti LE PARETI CELLULARI DEI FUNGHI NON CONTENGONO CELLULOSA MA CHITINA (n-acetilglucosammina) 36  Parete cellulare È il primo contatto della cellula vegetale con l'esterno DELIMITA IL PROTOPLASTO: parte cellulare contenuta all’interno della parete di forma sferica 37  Parete cellulare Costituita da una componente fibrillare polisaccaridica immersa in matrice glicidica e proteica. Acqua costituisce circa il 60% del totale. Caratteristiche: base polisaccaridica, permeabile, possibili modificazioni; Funzioni: rigidità, riserva d’acqua, protezione da stress osmotici; Funzione nutrizionale: Cellulosa 38  Cellulosa Struttura Emicellulose Pectina (legate da ioni calcio) Glicoproteine (estensine)  Dove viene sintetizzata la cellulosa? La sintesi della cellulose avviene a livello di membrane plasmatica ad opera di complessi enzimatici (cellulose sintatsi)  Sottile strato che “cementa” le pareti di cellule adiacenti La lamella mediana è costituita da sostanze amorfe (pectine) che possono essere simili ad un gel viscoso (fuzione cementante) Nelle cellule giovani è presente una parete primaria sottile (cellulosa) attraversata da plasmodesmi. Nelle cellule più vecchie e con parete cellulare è più spessa, alla primaria si aggiunge (verso l’interno della cellula) una parete secondaria. 42 Quando una cellula si divide tra i due protoplasti Parete figli, si viene a creare una prima membranella di separazione. Costituita soprattutto da pectine (pectato di calcio) che conferiscono aspetto gelatinoso (acqua). Unisce due cellule adiacenti. La parete è sintetizzata a strati E’ attraversata da filamenti citoplasmatici e desmotubuli (dal RE) che insieme formano i plasmodesmi. Lamella Mediana (0,1 um) Parete Primaria (da 0,1 a 2-3 um) Viene deposta in cellule in accrescimento tra la lamella mediana e il plasmalemma. Componente Parete secondaria. molto elastica e soggetta a continue rielaborazioni per lo stiramento meccanico. 80-90% costituita da Deposta tra il plasmalemma e la parete componente glicoproteica (pectine e proteine) 10- primaria verso la fine dell’accrescimento 20% componente fibrillare (disposte in modo disordinato nella matrice glicoproteica). In embrionale. E’ costituita da una componente fibrillare (85-95%), componente glicoproteica corrispondenza dei plasmodesmi si osservano le (5-15%) e sostanze accessorie. punteggiature primarie. Sostanze accessorie della parete secondaria mineralizzazione pigmentazione gelificazione lignificazione suberificazione cuticolarizzazione  Modificazione della parete secondaria CHIMICO FISICHE IN RELAZIONE ALLE FUNZIONI CHE DEVE SVOLGERE L i g n i f i c a zi o n e 1) Incrostazione Pigmentazione (infiltrazione di materiali tra Mineralizzazione gli spazi interfibrillari) Lignificazione: Deposizione La pigmentazione ad opera di sostanze (bruno- di LIGNINA nella matrice a rossastre) come i TANNINI ed i POLIFENOLI. livello delle emicellulose e Queste sostanze hanno forti proprietà delle sostanze pectiche antisettiche (semi di Ricino, legno d’ebano, cortecce degli alberi). Mineralizzazione per deposito di Ca2CO3, ossalalto di Ca, SiO2 (DUREZZA). Peli foglie di zucca, alghe (alcune responsabili insieme ai coralli della barriera corallina), pelo urticante dell’ortica. Lignina Gruppi fenolici Va a sostituire la componente amorfa della parete ed è responsabile del processo di lignificazione. Non interessa i plasmodesmi Conferisce resistenza alla pianta (talvolta riduce il lume cellulare) Cellule lignificate: dei vasi del legno, con funzione di trasporto dell’acqua e ioni inorganici su distanze anche particolarmente lunghe, o le fibre sclerenchimatiche, che hanno funzione meccanica di sostegno della pianta. Quando l’accrescimento e la lignificazione sono finiti la cellula muore. Modificazione della parete cellulare CHIMICO FISICHE IN RELAZIONE ALLE FUNZIONI CHE DEVE SVOLGERE C ut in i zz a zi on e 2) Apposizione (sulla parete di materiali che Cerificazion e aumentano l’impermeabilizzazione) Suberificazione Cutina (sostanza amorfa cerosa e Suberina: chimicamente vicina alla idrofoba): formata da acidi grassi a lunga cutina. Conferisce impermeabilità catena con gruppi alcolici. Conferisce (abbondante nel sughero) e impermeabilità ad acqua e gas (tessuti coinvolge tutta la parete. Le cellule tegumentari) suberificate sono morte. Modificazione della parete cellulare CHIMICO FISICHE IN RELAZIONE ALLE FUNZIONI CHE DEVE SVOLGERE La parete può assumere aspetto Gelificazione mucillaginoso (si rigonfia in presenza di acqua) per la presenza di sostanze pectiche. Cellule a mucillagine si ritrovano nei fiori di tiglio, nelle radici, in alcune alghe rosse (usate per fare gelatine). La gelificazione è presnete nele cellule dei peli radicali per ridurre l’attrito. Parete cellulare Lamella Parete Parete mediana Primaria secondaria Proteine Cellulosa RUOLO Pectine NUTRIZIONALE E DIETETICO Emicellulosa Lignina  Le pectine sono polimeri dell’acido galatturonico: α(1-4). Formano dei colloidi gelatinosi, abbondanti nella parete cellulare della frutta: essi vengono idrolizzati con la maturazione da alcuni pectasi e pectinasi (sono presenti soprattutto nelle mele e pere) e perdono consistenza. Le proteine 1)Strutturali 2)Enzimatiche (regolazione plasticità e riorganizzazione) Plasmodesmi PLASMODESMI (punteggiature): piccoli canalicoli che mettono in comunicazione tra loro cellule adiacenti (30-60 nm). Trasporto di molecole piccole (