cromatina Nucleo nucleolo Membrana nucleare Centrosoma Reticolo endoplasmatico rugoso Reticolo endoplasmatico liscio Ribosomi Vacuolo e tonoplasto Apparato di Golgi microfilameti filamenti intermedi microtubuli Mitocondrio Perossisoma Membrana plasmatica Cloroplasti Parete cellulare Parete cellulare di cellula adiacente Plasmodesmi Citoscheletro MICROCORPI o PEROSSISOMI Presenti in tutte le cellule eucariotiche cloroplasti caratteristiche Nelle piante: PEROSSISOMI fogliari: coinvolti nella fotorespirazione GLIOSSISOMI: per la demolizione e l’utilizzo di riserve lipidiche nei cotiledoni e nell’endosperma dei semi oleosi (tessuti di riserva) perossisomi (Immagine da: Botanica, JD Mauseth, IDELSON- FUNZIONI DEI PEROSSISOMI VEGETALI - Degradazione H2O2 - Beta-ossidazione degli acidi grassi - Catabolismo degli amminoacidi a catena ramificata Nei perossisomi avvengono reazioni che producono perossido di idrogeno (H2O2), tossico, che viene però scisso dall’enzima CATALASI in acqua e ossigeno Oltre alle funzioni comuni, possono averne altre specifiche in organi diversi (es, perossisomi coinvolti nell’ossidazione delle purine nei noduli radicali delle Leguminose, chiamati URICOSOMI). Alcuni hanno funzione incerta (perossisomi non specializzati) Gli enzimi contenuti nei microcorpi devono essere importati, perché questi organelli non hanno né DNA né ribosomi Sono, comunque, capaci di autoduplicarsi e devono importare le molecole necessarie a questo processo Perossisomi fogliari I perossisomi fogliari si localizzano vicino ai cloroplasti e ai mitocondri, poiché questi organelli contengono alcuni enzimi della fotorespirazione Fotosintesi ossigenica 6CO2+12H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Fotorespirazione L’enzima RUBISCO, responsabile dell’ ”inserimento” di C della CO2 in composti organici durante la fotosintesi, può agire anche da ossigenasi e catalizzare una reazione che richiede luce MA consuma ossigeno e libera CO2. Per questo tale reazione è chiamata FOTORESPIRAZIONE. Processo che interferisce con la fotosintesi; si stima che riduca in media del 25% la velocità di fotosintesi con danno per la crescita della pianta e per la produttività dei raccolti La funzione ossigenasica della RUBISCO è favorita da temperature elevate e da bassi livelli di CO2 ed alti livelli di O2 I GLIOSSISOMI Sono perossisomi specializzati nella demolizione delle riserve lipidiche e loro conversione in zuccheri nei semi oleosi (arachide, girasole, cocco), quindi sono importanti durante la germinazione del seme I perossisomi fogliari hanno un ruolo importante nella fotorespirazione (rubisco) Uno dei prodotti della reazione ossigenasica è il glicolato (composto a 2 atomi di carbonio) che lascia i cloroplasti per entrare nei perossisomi, dove viene ossidato in una via metabolica il cui prodotto diffonde nei mitocondri e qui trasformato in una reazione che produce CO2 Perossisomi e fotorespirazione Perossisomi cromatina Nucleo nucleolo Membrana nucleare Centrosoma Reticolo endoplasmatico rugoso Reticolo endoplasmatico liscio Ribosomi Vacuolo e tonoplasto Apparato di Golgi microfilameti filamenti intermedi microtubuli Mitocondrio Perossisoma Membrana plasmatica Cloroplasti Parete cellulare Parete cellulare di cellula adiacente Plasmodesmi Citoscheletro I PLASTIDI nelle piante PLASTIDI I PLASTIDI, insieme con i vacuoli e la parete cellulare, sono organelli caratteristici delle cellule vegetali e sono coinvolti nei processi di fotosintesi e di accumulo. PROPLASTIDI (Immagine da: Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, 2008, Piccin) PROPLASTIDI Sistema di endomembrane poco sviluppato In duplicazione Organelli in una cellula meristematica di giovane foglia di mais ORIGINE DEI PLASTIDI I plastidi delle cellule dei tessuti maturi derivano, direttamente o indirettamente (trasformazione di altri tipi di plastidi) da piccoli organelli indifferenziati definiti proplastidi (0,5-1 mm) meristematiche presenti nelle cellule Nei meristemi il numero di proplastidi per cellula è costante attorno a 10-20. Prima di ogni divisione cellulare duplicazione dei proplastidi meccanismo di scissione binaria avviene la attraverso un La divisione dei proplastidi è seguita da una fase di crescita dimensionale dell’organello, fino al valore necessario per la successiva divisione Durante la fase di crescita si ha anche la replicazione del DNA Alla prima fase di divisione dei proplastidi segue una seconda fase di divisioni degli organelli in via di differenziamento o differenziati Giovane cloroplasto che si sta dividendo per scissione in una cellula di una foglia di mais Questa fase di divisione porta ad un aumento del numero di plastidi per cellula ed è correlata con il differenziamento dell’organello proprio del tipo cellulare Da una cellula del meristema apicale del germoglio si potrà differenziare una cellula fotosintetica con 100 e più cloroplasti. Da una cellula del meristema apicale della radice si potrà differenziare una cellula parenchimatica con un numero inferiore di amiloplasti. Tipi di plastidi Cloroplasti: svolgono la fotosintesi Ezioplasti: uno stadio specifico della trasformazione dei proplastidi in cloroplasti; si formano in tessuti determinati a divenire fotosintetici che crescono in assenza di luce Cromoplasti: plastidi colorati perché contengono grandi quantità di pigmenti lipidici; si trovano nei fiori e nei frutti Leucoplasti: termine descrittivo, indica i plastidi incolori (comprendono gli amiloplasti) Amiloplasti: accumulano amido Proplastidi: plastidi piccoli indifferenziati Gerontoplasti: fase finale del differenziamento dei plastidi (Immagine da: La biologia delle piante di Raven, Evert-Eichhorn, Zanichelli) Differenziamento dei plastidi Il tipo, il numero e le dimensioni dei plastidi di una cellula matura dipendono dallo specifico programma di sviluppo della cellula nel tessuto a cui appartiene Ad es. nell’ epicarpo (buccia) dei frutti maturi di pomodoro, la popolazione di cromoplasti è molto più numerosa (oltre 1000/cellula) di quella delle sottostanti cellule del mesocarpo (polpa del frutto) Il numero dei cromoplasti è più alto di quello dei cloroplasti da cui derivano, dimostrando che i plastidi possono dividersi anche in fase adulta Tutti i plastisti sono delimitati da una membrana esterna e da una membrana interna La membrana interna è sede di numerosi enzimi implicati in vie biosintetiche proprie del plastidio o coinvolti nella sintesi di composti chimici destinati ad altri compartimenti cellulari Hanno ribosomi (70S) Presentano DNA circolare non associato ad istoni (di tipo procariotico) Si dividono per scissione binaria CLOROPLASTI CLOROPLASTO plastidio specializzato per il processo fotosintetico costituito da: Due membrane delimitanti Stroma Membrane tilacoidali Le dimensioni sono di circa 5-10 m con forma gen. ovoidale o lenticolare La principale funzione dei cloroplasti è la FOTOSINTESI Per svolgere al meglio questa funzione i cloroplasti si dispongono, in genere con la superficie più ampia parallella alla parete cellulare direttamente colpita dalla luce. Tuttavia, all’interno della cellula, sotto l’influenza della luce, possono cambiare posizione e orientazione. cloroplasti (Immagine da: Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, 2008, Piccin) L’interazione actina-miosina consente il riorientamento dei cloroplasti a diverse intensità di luce Nelle piante superiori i cloroplasti hanno una forma lenticolare Ultrastruttura del cloroplasto granum = pila di tilacoidi granali, a forma di dischi Ultrastruttura del cloroplasto Lo stroma del cloroplasto contiene ribosomi “leggeri” (70S) e un nucleoide. Nello stroma si accumula l’AMIDO PRIMARIO o DI ASSIMILAZIONE, prodotto a seguito dell’attività fotosintetica, come prodotto di riserva temporaneo. Immagini da: Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, 2008, Piccin Ontogenesi del cloroplasto •Da un proplastidio •Da un leucoplasto •Da un cromoplasto •Da un cloroplasto preesistente •Da un ezioplasto posto alla luce Luce e biogenesi del cloroplasto Fattore ambientale più importante per il differenziamento dei cloroplasti Agisce sull’espressione genica nucleare e plastidiale Il precursore della clorofilla, la protoclorofillide,viene convertita in clorofilla grazie ad un enzima attivato dalla luce L’importanza della luce risulta evidente quando un germoglio o una coltura cellulare vengono mantenute al buio. Dai proplastidi si differenziano gli ezioplasti Gli EZIOPLASTI sono plastidi con corpi prolamellari. In seguito ad esposizione alla luce, i corpi prolamellari si trasformano in tilacoidi e l’ezioplasto in cloroplasto ezioplasto corpi prolamellari cloroplasto Interconversione plastidiale Membrane plastidiali Le membrane plastidiali sono caratterizzate da acidi grassi con un elevato grado di insaturazione e da un alto contenuto in galattolipidi L’unico fosfolipide è il fosfatidilglicerolo che nella membrana esterna è sostituito dalla fosfatidilcolina Contengono specifiche proteine per scambi di metaboliti con il citosol Dove sono, nel cloroplasto, gli “attori” del processo fotosintetico? Nelle membrane dei tilacoidi sono inclusi le clorofille ed i pigmenti carotenoidi (di natura liposolubile), responsabili della cattura della luce che dà il via al processo fotosintetico (FASE LUMINOSA della fotosintesi). Nello stroma, invece, sono presenti gli enzimi che catalizzano la FASE OSCURA della fotosintesi (una serie di reazioni che consentono la riduzione della CO2 in carboidrati). L’energia luminosa, affinchè possa essere utilizzata dai sistemi viventi, deve essere assorbita. Un pigmento è una qualsiasi sostanza che assorbe luce. Alcuni assorbono luce di qualsiasi lunghezza d’onda e appaiono neri, ma la maggior parte assorbe la luce solo di determinate lunghezze d’onda e trasmette o riflette la luce di altre lunghezza d’onda. Es. la clorofilla dà il colore verde alle foglie perché assorbe luce nel VIOLETTO, AZZURRO e ROSSO, però riflette e trasmette la luce VERDE Un pigmento ha il colore della luce che riflette e trasmette Spettri di assorbimento della clorofilla a, della clorofilla b e dei carotenoidi in un cloroplasto Tutti i pigmenti sono molecole organiche, non polimeriche, con una serie di doppi legami alternati Anello porfirinico responsabile dell’assorbimento della luce La “coda” lipofila delle clorofille è inserita nelle membrane tilacoidali Clorofilla a Clorofilla b Carotenoidi Membrane tilacoidali granum lumen granum granum Nelle membrane tilacoidali sono presenti due tipi di COMPLESSI ANTENNA, detti FOTOSISTEMA I e FOTOSISTEMA II Cosa sono ??? complessi di natura proteica associati ai pigmenti fotosintetici, essenziali o accessori, quali clorofille e carotenoidi (o altri pigmenti nelle alghe) A cosa servono I FOTOSISTEMI? I fotosistemi catturano l’energia luminosa . Un pigmento è detto essenziale poiché, oltre ad assorbire energia luminosa, la converte in energia chimica (clorofilla a) I pigmenti accessori servono ad ampliare la banda di lunghezze d’onda utilizzabili per il processo fotosintetico ma non sono in grado di convertire l’energia luminosa in energia chimica (es, clorofilla b e carotenoidi nelle piante) I componenti del FOTOSISTEMA I (PSI) sono localizzati quasi esclusivamente nei tilacoidi stromatici (o intergrana), e nelle porzioni esposte allo stroma dei tilacoidi granali (regioni dove si trova anche il complesso proteico ATP-sintetasi) I componenti del FOTOSISTEMA II (PSII) sono localizzati soprattutto nei tilacoidi granali (regioni impilate) Lo spazio all’interno dei tilacoidi (lumen) è uno spazio chiuso, necessario per l’accumulo di protoni provenienti dallo stroma (trasporto attivo attraverso le membrane tilacoidali): questo accumulo crea un gradiente protonico necessario al processo fotosintetico Cloroplasti visti al microscopio elettronico Grana Amido (PRIMARIO) Stroma Sede del DNA, di ribosomi 70S ed del corredo enzimatico per vari processi metabolici, es. il processo fotosintetico, la biosintesi di carotenoidi, degli acidi grassi Granuli di amido (amido primario o di assimilazione) Plastoglobuli (cromolipidi, tra cui carotenoidi, scarse proteine. Il loro contenuto nei cloroplasti è limitato e il colore è solitamente mascherato dalla grande quantità di clorofilla) Il DNA del nucleo e il DNA del cloroplasto cooperano nella sintesi di alcune proteine Alcune proteine del cloroplasto sono codificate in parte dal DNA del nucleo in parte dal DNA del cloroplasto. Es, l’enzima RUBISCO (nello stroma), responsabile dell’assimilazione della CO2 in una molecola organica, è costituito da 8 subunità piccole codificate dal DNA nucleare e da 8 subunità grandi codificate dal DNA plastidiale. EZIOPLASTI (la “forma al buio” dei cloroplasti) Gli ezioplasti sono plastidi con corpi prolamellari. In seguito ad esposizione alla luce i corpi prolamellari si trasformano in tilacoidi e l’ezioplasto in cloroplasto ezioplasto Interconversione plastidiale Cloroplasto senescente Cloroplasto senescente Ezioplasto Cloroplasto maturo Cromoplasto Proplastidio Plastidio pregranale Leucoplasto Plastidio ameboide Amiloplasto Ezioplasto Immagine al TEM di un ezioplasto in divisione in una foglia eziolata di una plantula di fagiolo Immagine al TEM di una cellula di foglia di pisello che illustra le prime fasi di sviluppo dei grana dei tilacoidi in un ezioplasto che sta inverdendo I cromoplasti CROMOPLASTI I cromoplasti sono plastidi provvisti di pigmenti. Sono di forma variabile, privi di clorofilla ma sintetizzano e accumulano pigmenti carotenoidi (caroteni e xantofille). Questi ultimi sono per lo più sciolti in gocce di lipidi (es. pomodori e peperoni maturi) detti plastoglobuli oppure sono cristallini o sono associati a membrane. Conferiscono il colore giallo, arancione o rosso ai petali di alcuni fiori, alle foglie senescenti (in alternativa alle antociane). Possono differenziarsi da cloroplasti preesistenti, che invecchiando perdono la clorofilla, degradano i tilacoidi e contemporaneamente accumulano carotenoidi (es. durante la maturazione dei frutti). I differenti cromoplasti a seconda delle modalità di sequestro dei carotenoidi si classificano: • • • • Globulari Fibrillari Membranosi Cristallini Cloroplasti e cromoplasti nel frutto di Capsicum annuum (Immagine da: Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, 2008, Piccin) Un cromoplasto al TEM I corpi densi contengono carotenoidi Proplastidio Cloroplasto Amilo-Leucoplasto Cromoplasto • Localizzazione: frutti, petali e parenchima di riserva della carota • Stimoli: Ormonali, ambientali (temperatura, luce, stress) • Differenziamento: organogenesi • Funzione: vessillare • Contenuto: pigmenti, proteine e lipidi, accumulo di carotenoidi con l’attivazione di geni nucleari Trasformazione di un cloroplasto in cromoplasto in un petalo di ranuncolo Sono ancora presenti tilacoidi dilatati e deformati Si sono già formati dei grossi globuli densi agli elettroni LEUCOPLASTI Leucoplasti (plastidi incolori) Possono essere specializzati per biosintesi particolari, ad es. biosintesi di acidi grassi e metaboliti secondari come gli oli essenziali Leucoplasti (L) nel tricoma ghiandolare, in fase di attiva secrezione, di menta piperita. I globuli elettrondensi corrispondono a gocce lipidiche, CONNESSIONE CON IL RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO (SER) Leucoplasto con incluso proteico GLI AMILOPLASTI ACCUMULO DI AMIDO Amido in cellule parenchimatiche (tubero della patata) amiloplasto Sistema tilacoidale ridotto negli amiloplasti Granuli di amido in cellule del parenchima midollare del fusto di tabacco Amido = polimero del glucosio, con legami alfa 1-4 glucosidici tra i monomeri Amilosio (elicoidale) Amilopectina (ramificata) Legami 1-6 Amido negli amiloplasti Quando tutto il PLASTIDIO si è riempito di amido e resta solo la membrana delimitante il plastidio originario si chiamerà: GRANULO DI AMIDO Si può trovare nei parenchimi di riserva delle radici, tuberi, rizomi, semi, midollo del fusto Granuli di amido in cellule di un seme di fagiolo Nell’immagine (a) i colori NON sono naturali. Quando il seme germinerà, l’amido accumulato diminuirà e gli amiloplasti si convertiranno in cloroplasti (b) Granuli di amido fotografati a luce polarizzata mostrano struttura cristallina. (Immagine da: Botanica, J. D. Mauseth, Idelson-Gnocchi) Immagine da: Internet Amiloplasti colorati con iodio-ioduro di K (Immagine da: Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, 2008, Piccin) Granuli di amido La forma del granulo ha significato tassonomico L’ILO è il punto di aggregazione dell’amido Semplici o composti STATOLITI Disegno da: Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, 2008, Piccin Cuffia radicale Statoliti cuffia Statoliti Nuclei cuffia Percezione della gravità GERONTOPLASTI