PLASTIDI I PLASTIDI, insieme con i vacuoli e la parete cellulare, sono gli organelli caratteristici delle cellule vegetali e sono coinvolti nei processi di fotosintesi e di accumulo. I plastidi dei tessuti maturi derivano –per trasformazione di altri tipi di plastidi o direttamente - da piccoli organelli indifferenziati definiti proplastidi presenti nelle cellule meristematiche di 0,5-1 mm Nei meristemi il numero di proplastidi per cellula è costante attorno a 10-20. Prima di ogni divisione cellulare vi è la duplicazione dei proplastidi attraverso un meccanismo di scissione binaria Tipi di plastidi Cloroplasti: svolgono la fotosintesi Cromoplasti: contengono grandi quantità di pigmenti lipidici; si trovano nei fiori e nei frutti Amiloplasti: accumulano amido Ezioplasti: uno stadio specifico della trasformazione dei proplastidi in cloroplasti; si formano in tessuti determinati a divenire fotosintetici che crescono in assenza di luce Leucoplasti: termine descrittivo, indica i plastidi incolori Proplastidi: plastidi piccoli indifferenziati 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 Il numero dei cromoplasti è più alto di quello dei cloroplasti da cui derivano, dimostrando che i plastidi possono dividersi anche in fase adulta • I plastidi sono capaci di interconversione, cioè un tipo può convertirsi in un altro tipo, es. cloroplasti in ezioplasti. CROMOPLASTI I cromoplasti sono plastidi provvisti di pigmenti. Sono di forma variabile, sono privi di clorofilla ma sintetizzano e accumulano pigmenti carotenoidi, questi ultimi sono per lo più sciolti in gocce di grasso (es. pomodori e peperoni maturi). 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 cromoplasti a seconda delle modalità di sequestro dei carotenoidi sono differenti e si classificano: • Globulari (es. fittone della carota) • Fibrillari (es. petali di alcuni fiori) • Membranosi (es. frutto del peperone) • Cristallini (es. frutto del pomodoro) 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 Leucoplasti (plastidi incolori) Possono essere specializzati per biosintesi particolari, come ad es. biosintesi di acidi grassi e metaboliti secondari come gli oli essenziali I leucoplasti possono contenere corpi proteici GLI AMILOPLASTI ACCUMULO DI AMIDO Amido in cellule parenchimatiche (tubero della patata) Granuli di amido in cellule del parenchima midollare di tabacco Amido = polimero dell’ alfa glucosio Amilosio (ha struttura elicoidale) e le unità di glucosio sono unite mediante ponti alfa 1-4 I granuli negli amiloplasti sono di amido secondario o di riserva Quando tutto il PLASTIDIO si è riempito di amido e resta solo la membrana delimitante il plastidio originario si chiamerà GRANULO D’AMIDO Si può trovare nelle radici, tuberi, rizomi, semi, midollo del fusto Granuli d’amido Incluso solido, si accumula sotto forma di grossi granuli di forma varia (sferica, ovoidale, poliedrica, lenticolare, a bastoncino con dimensioni che variano da 1 a 170 mm) L ’ILO è il punto di aggregazione dell’ amido I granuli sono semplici o composti La forma del granulo ha significato tassonomico I granuli di amido nelle cellule della cuffia radicale funzionano da statoliti (apparato di percezione della gravità necessario per la crescita della radice in profondità nel suolo) 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 Anche gli ezioplasti sono capaci di divisione binaria CLOROPLASTO plastidio specializzato per il processo fotosintetico provvisto di: “Doppia” membrana esterna Stroma Membrane tilacoidali Le dimensioni sono di circa 5-10 mm con forma ovoidale (nelle piante superiori) La pricipale 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. Tuttavia, all’interno della cellula, sotto l’influenza della luce possono riorientarsi. Ontogenesi del cloroplasto •Da un proplastidio •Da un leucoplasto •Da un cloroplasto preesistente •Da un ezioplasto posto alla luce Luce e biogenesi del cloroplasto La luce è il fattore ambientale più importante per il differenziamento dei cloroplasti Agisce sull’espressione genica nucleare e plastidica 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 od una coltura cellulare vengono mantenute al buio. Dai proplastidi si differenziano gli ezioplasti La divisione dei proplastidi è seguita da una fase di crescita dimensionale dell’organello, fino al valore necessario per la successiva divisione Il cloroplasto è dotato di DNA di tipo procariotico e durante la sua fase di crescita si ha anche la replicazione di questo DNA Alla prima fase di divisione dei proplastidi segue una seconda fase di divisioni degli organelli in via di differenziamento o differenziati 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 molto inferiore di amiloplasti. 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, questo nella membrana esterna è sostituito dalla fosfatidilcolina Vi sono poi lipidi apolari, principalmente composti ossidoriduttivi come i chinoni e tocoferoli 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). Nello stroma, invece, sono presenti gli enzimi che catalizzano la fase oscura della fotosintesi. Un pigmento è una sostanza che assorbe luce selettivamente Un pigmento ha il colore della luce che riflette e trasmette. Es. la clorofilla dà il colore verde alle foglie perché assorbe luce nel VIOLETTO, AZZURRO e ROSSO, però riflette e trasmette la luce VERDE Tutti i pigmenti sono molecole organiche non polimeriche, con una serie di doppi legami alternati. Stroma Sede del DNA (di tipo procariotico), ribosomi 70S ed il corredo enzimatico per vari metabolismi, quali per es. il processo fotosintetico, per la biosintesi di carotenoidi, degli acidi grassi Granuli d’amido Plastoglobuli (costituiti di chinoni, carotenoidi, galattolipidi e scarse proteine) Nelle prime fasi del differenziamento le membrane tilacoidali sono di tipo stromatico Successivamente ai nuclei centrali dei 2 fotosistemi, vengono sintetizzati i complessi antenna LHC dei fotosistemi I e II. Parallelamente è necessaria la sintesi di pigmenti che legandosi alle proteine le stabilizzano In questa fase avanzata del differenziamento dei cloroplasti iniziano a formarsi i grana con la progressiva produzione di membrane tilacoidali e l’aumento del numero e dimensioni degli impilamenti granali La pricipale 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. Tuttavia, all’interno della cellula, sotto l’influenza della luce possono riorientarsi. 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). Nello stroma, invece, sono presenti gli enzimi che catalizzano la fase oscura della fotosintesi. Nelle membrane tilacoidali sono presenti due tipi di COMPLESSI ANTENNA, detti FOTOSISTEMI I e II Cosa sono ??? complessi di natura proteica associati ai pigmenti fotosintetici, essenziali o accessori quali clorofille e carotinoidi o altri pigmenti nelle alghe La clorofilla a è il pigmento essenziale degli eucarioti fotosintetici e dei cianobatteri A che servono I FOTOSISTEMI??? I fotosistemi catturano l’energia luminosa. I plastidi delle Alghe I plastidi delle alghe hanno forme diverse I tilacoidi possono essere isolati e paralleli come nelle rodofite e dotati di ficobilisomi I ficobilisomi contengono ficoeritrina, ficocianina, alloficocianina sono pigmenti necessari per far vivere queste alghe nella profondità del mare (fino al limite della zona eufotica, circa -200 m in acque pulite) Spesso i tilacoidi decorrono uniti a 2, 3 o 4. Nelle alghe eteroconte è presente un tilacoide circolare parallelo alla membrana interna del cloroplasto (lamella periferica) Nelle alghe verdi compare l’ultrastruttura granale ed intergranale. Teoria endosimbiontica • E’ dell’inizio del ‘900 e fu ripresa alla fine degli anni 60 del novecento, è basata sull’osservazione che mitocondri e cloroplasti posseggono DNA proprio e di tipo batterico e ribosomi 70S, come i procarioti, e sono sensibili agli stessi antibiotici che interferiscono con i ribosomi dei procarioti. • Ad oggi questa teoria è largamete accettata L’evento endosimbiontico all’origne dei mitocondri sembra avvenuto per primo L’origine del cloroplasto sarebbe dovuta ad un evento successivo tra un eucariote capace di fagocitosi ed un cianobatterio • Il cianobatterio inglobato NON venne digerito, come si trasformò in cloroplasto?? • Perse la parete cellulare e trasferì più del 90 del suo genoma al nucleo dell’ospite. • Comparvero nel genoma residuo i geni per l’rRNA del cloroplasto • Da questo evento di endosimbiosi nacquero le prime cellule fotosintetiche con cloroplasto avvolto da due membrane, la più interna corrispondente alla membrana citoplasmatica del cianobatterio e la più esterna alla membrana del vacuolo digestivo del fagotrofo E tutte le altre divisioni algali??? Endosimbiosi secondaria • Alghe come le euglene, le dinophyta, le eteroconte, ecc., avrebbero acquisito i cloroplasti per una simbiosi secondaria fra un protozoo eterotrofo ed un’alga eucariotica rossa o verde E le mebrane delimitanti il cloroplasto quante diventano??? • L’alga eucariote di solito presenta 4 membrane, due membrane RE (una, l’interna, il plasmalemma originario dell’alga entrata in simbiosi, l’altra, l’esterna, membrana vacuolare dell’ospite fagotrogo) e le due membrane del cloroplasto, residuo dell’evento endosimbiontico primario Nelle euglene e nelle dinofite le membrane che circondano il cloroplasto sono tre, perchè?? Una delle membrane RE è stata persa La TEORIA ENDOSIMBIONTICA è sostenuta da 1. Presenza di DNA non organizzato in cromosomi (circolare a doppia elica ), non compartimentato ed in grado di duplicarsi 2. Presenza di ribosomi che effettuano sintesi proteica, con caratteristiche simili a quelle dei procarioti ( 70 S e un rRNA 16S con sequenze omologhe in plastidi e cianobatteri) 3. Divisione per scissione binaria 4. Omologia di alcune proteine, ad es.: 4a. Presenza di una RNA-polimerasi (PERP, Plastidial Encoded RNA Polymerase) con un alto grado di omologia con quella dei cianobatteri 5. In alcune alghe i cloroplasti sono circondati da una o più altre membrane, probabile “relitto” del fenomeno simbiontico) Cooperazione genoma nucleare e plastidiale porta ad es.alla formazione della RUBISCO, l’enzima essenziale per la fissazione della CO2