La cellula vegetale
Organismi autotrofi
= produttori della biosfera
Autonomi per la nutrizione.
Utilizzano composti inorganici.
6H2O + 6CO2 + ENERGIA C6H12O6 + O2
--------------------------------------
Organismi eterotrofi
‘ consumatori della biosfera
Dipendono da altre forme di vita per la propria
nutrizione.
Utilizzano composti organici.
C6H12O6 + O2 6H2O + 6CO2 + ENERGIA
Alcune differenze esistenti tra autotrofi ed eterotrofi
Fonte di
energia
Fissazione
CO2
Fissazione
N2
Esempio
FOTOAUTOTROFI
LUCE
SI
SI
cianobatteri
FOTOAUTOTROFI
LUCE
SI
NO
piante
CHEMIOAUTOTROFI
COMPOSTI
INORGANICI
SI
NO
solfobatteri
FOTOETEROTROFI
LUCE
solo per
produrre
ATP
NO
NO
alcuni
procarioti
COMPOSTI
ORGANICI
NO
NO
funghi e
animali
CHEMIOETEROTROFI
Separazione tra cell animale e vegetale è avvenuta tardi, molte
caratteristiche della cellula già stabilite:
- notevoli differenze con i procarioti
- lieviti piante e animali hanno caratteristiche comuni
Ipotesi endosimbiontica
Endocitosi: quando O2
nell’atmosfera in
quantità sostanziali
Durante l’evoluzione trasferimento
di geni del DNA mitocondri e
cloroplasti a quello nucleare
Parete cellulare
Vacuolo
Cloroplasto
LA PARETE CELLULARE
• Matrice extracellulare complessa che circonda ogni cellula di una pianta, più forti e
più rigide della matrice extracellulare delle cellule animali
• Ruolo strutturale o di “scheletro”, ruolo protettivo (involucro cellulare), importanti
funzioni nel trasporto dei fluidi all’interno della pianta
• A seconda dello stadio di sviluppo cellulare:
Primaria: sottile e semirigida, 60% acqua
Secondaria: rendendo più spessa la parete primitiva o depositando nuovi strati di
composizione diversa sotto i vecchi. Poca acqua, lunghe fibre di cellulosa
Le pareti cellulari possono differire per composizione
e organizzazione.
Principio strutturale comune a materiali compositi
(cemento armato):
- componente dà forza elastica
- materiale nel quale è immerso dà
resistenza alla compressione
Pareti cellulari al microscopio
elettronico
FORZA DI TENSIONE DELLA PARETE
Fibre che resistono alla tensione: presenza di lunghe fibre di un polisaccaride:
CELLULOSA
Cellulosa: [cellobiosio]n = catena di almeno 500 residui di glucosio legati
mediante legame b-glicosidico.
Legami H intermolecolari tra molecole di cellulosa adiacenti
fasci di 60-70 catene con stessa polarità = microfibrille di cellulosa,
organizzati in strati o lamelle parallele
RESISTENZA ALLA COMPRESSIONE
Matrice in cui sono immerse le microfibrille di
cellulosa
Proteine strutturali, particolarmente ricche in aa
idrossiprolina (collageno)
Polisaccaridi:
- Glicani: ossatura lineare di 1 zucchero (xilosio,
glucosio, mannosio) da cui sporgono catene lineari
di altri zuccheri. Formano legami crociati con
microfibrille
di
cellulosa.
- Pectine: contengono residui di ac.galatturonico
(carichi -), molto idratate e associate a nuvola
cationica (Ca++), che contribuisce a tenere unite le
componenti della parete (gelatina: pectina aggiunta
a succo di frutta)
- Emicellulose: gruppo eterogeneo di polisaccaridi ramificati che organizzano le microfibrille di
cellulosa in una rete complessa
- Lignina: polimeri fenolici, polimero addizionale più comune nelle pareti cellulari secondarie.
Occupa intersizi rendendo pareti rigide e permanenti
- maggior parte delle macromolecole della matrice è sintetizzata nel ER e nell’apparato di
Golgi.
-La cellulosa è sintetizzata è “filata” dal sistema enzimatico della cellulosa sintasi, proteina
legata alla membrana: precursori citosolici uniti a zuccheri dei nucleotidi (UDP-glucosio)
cellulosa liberata sulla superficie extracellululare della membrana, catene nascenti si
assemblano spontaneamente in microfibrille
- Catene nascenti crescono internamente alle precedenti
- Orientamento microfibrille influenza il modo in cui la cellula si espande la forma finale della
cellula e i fenomeni di divisione cellulare.
- Schiera corticale citoplasmatica di microtubuli determina l’orientamento delle microfibrille di
cellulosa
appena
depositate
Microtuboli sono necessari per cambio di direzione dello schema di microfibrille
- Sintesi microfibrille è indipendente dai microtubuli della schiera corticale
- Microtubuli possono cabiare orientamento microfibrille agendo come “argini”
I VACUOLI
- contenuti nella maggior parte delle cellule vegetali e fungine
- uno o più vacuoli per cellula
- organuli molto versatili
- singola membrana: tonoplasto
- occupano dal 5% al 90% del volume della cellula
- correlati ai lisosomi delle cellule animali, contengono varietà di enzimi idrolitici, hanno però
anche funzioni molto diverse:
Deposito di sostanze nutrienti e di prodotti di rifiuto (gomma, oppio, aroma dell’aglio..)
Compartimento di degradazione
Regolazione del pH cellulare (aumento di H+ nel citosol induce aumento del trasporto di H+
nel vacuolo)
Regolazione osmotica con mantenimento del turgore (pressione osmotica che spinge verso
l’esterno la parete cellulare ed avita alla pianta di avvizzire) mediante demolizione e risintesi
controllate di polimeri (aumento pressione osmotica)
Grosso aumento del volume cellulare senza aumento del volume del citosol (mezzo
economico per aumentare dimensioni cellulari)
--> vacuoli con funzioni diverse sono
presenti nella stessa cellula
IL CLOROPLASTO
-Tutti gli animali e la maggior parte dei microrganismi: continua assunzione di
composti organici dal loro ambiente scheletri di carbonio per le biosintesi e
l’energia metabolica per i processi cellulari
- Sulla Terra primitiva: composti chimici prodotti da processi geochimici, ma
esauriti dai primi organismi
- Dal loro esaurimento (miliardi di anni fa) materiali organici necessari per le
cellule viventi viene prodotto dagli organismi fotosintetici, tra cui molti tipi di
batteri (cianobatteri sono quelli più evoluti)
nH2O + nCO2
luce
(CH2O)n + nO2
- Nei vegetali, sviluppatisi più tardi, la fotosintesi avviene in un organello
specializzato: il cloroplasto
- Nei cloroplasti fotosintesi durante le ore
di luce diurna.
- prodotti:
1. utilizzati direttamente dalle cellule
fotosintetiche
per
la
biosintesi
2. convertiti in uno zucchero a basso P.M. (in
genere saccarosio) esportato per le
necessità
metaboliche
3. depositati come materiali osmoticamente
inerti (amido) che fungono da fonte di
zuccheri per usi futuri
- Prove biochimiche: cloroplasti discendono
da batteri fotosintetici produttori di O2
endocitati e capaci di vivere in simbiosi con
cellule eucariotiche primitive
- Cloroplasti: membri della famiglia dei
plastidi
I PLASTIDI
Plastidi sono presenti in tutte le cellule vegetali, hanno caratteristiche peculiari ma
anche
caratteristiche
comuni:
copie
multiple
del
piccolo
genoma
- involucro di 2 membrane concentriche
Originano come proplastidi; evolvono a seconda delle necessità della cellula
differenziata
CROMOPLASTI: Con pigmenti colorati
AMILOPLASTI: Producono amido e lo immagazzinano nello stroma (l’amido è
osmoticamente inattivo)
PROTEINOPLASTI: Producono proteine (in forma amorfa o cristallina) e le immagazzinano
in sacche delimitate da membrane = “granuli di aleurone”
ELAIOPLASTI (“OLEOSOMI”): Producono sostanze grasse
CLOROPLASTI: Effettuano la fotosintesi, normalmente sono 20-30 per cellula, contengono
clorofilla e carotenoidi. Il numero per cellula può variare: duplicazione, degenerazione.
STRUTTURA DEL CLOROPLASTO
Simili a mitocondri ma con un compartimento in più.
- 1. membrana esterna molto permeabile
2. membrana interna molto meno permeabile con proteine trasportatrici
3.stretto spazio intermembrana
- Membrana interna circonda ampio spazio = stroma (analogo della matrice
mitocondriale), con enzimi, ribosomi, RNA e DNA
- A differenza dei mitocondri, la membrana interna dei cloroplasti non ripiegata in creste e
non contiene una catena di trasporto degli elettroni.
- La catena, il sistema fotosintetico che assorbe la luce e una ATP sintasi sono contenuti
in una terza membrana che forma sacchi a disco appiattito = tilacoidi
lumi
dei
tilacoidi
spazio tilacoide, delimitato da membrana tilacoide
sono
connessi
- “testa” dell’ATP sintasi sporge dalla membrana tilacoide nello stroma, mentre nel
mitocondrio sporge dalla membrana mitocondriale interna nella matrice
IL GENOMA DEL CLOROPLASTO
- Non tutte le proteine del cloroplasto, similmente a quanto avviene nel
mitocondrio, sono codificate da DNA nucleare e importate nell’organello dal
citosol. Alcune codificate dal DNA del cloroplasto e sintetizzate sui suoi
ribosomi.
- traffico citosol - cloroplasto (e mitocondrio) è unidirezionale
- Il trasporto delle proteine nel
cloroplasto:
•avviene dopo la traduzione
•richiede energia
•idrolisi di ATP per l’importazione di
proteine attraverso involucro esterno
(membrana doppia)
•utilizza peptidi segnale anfipatici che
vengono rimossi dopo l’uso
•sfrutta il gradiente elettrochimico per
il passaggio attraverso la membrana
tilacoide
- molecole di DNA del cloroplasto (e del mitocondrio) sono relativamente piccole,
semplici e circolari.
Geni dei cloroplasti, 4 tipi di
processi:
- trascrizione
- traduzione
- fotosintesi
- biosintesi di piccole molecole
(aa., acidi grassi e pigmenti)
- copie multiple della molecola di DNA distribuite in molti gruppi nella matrice del mitocondrio e
nello stroma del cloroplasto
- struttura del genoma assomiglia a quello batterico anziché alla cromatina degli eucarioti: no
istoni
- Il macchinario di sintesi proteica dei cloroplasti assomiglia molto a quello batterico:
Ribosomi del cloroplasto in grado di usare tRNA batterici per la sintesi proteica
Sintesi proteica inizia con N-formilmetionina, come nei batteri
FOTOSINTESI
TRASFORMAZIONE DELL'ENERGIA ELETTROMAGNETICA DELLA LUCE
IN ENERGIA CHIMICA (CONSERVABILE)
CLOROFILLA " b "
CLOROFILLA " a "
ASSORBE A 680 E 700nm
CH
CH2
H3 C
N
H
CH3
C
O
CH2 CH3
CH2 CH3
CH3
N
ASSORBE A 500 nm
E' 1/4 DEL TOTALE
TRASMETTE L'ENERGIA
ALLA FORMA " a "
N
Mg
H3 C
N
N
H
H
H H
CH3 OOC
O
+N
PIRROLO: ANELLO ETEROAROMATICO
CON ECCEDENZA ELETTRONICA
O
O
REAZIONE GENERALE DELLA FOTOSINTESI
LUCE
n CO2 + n H2O
[ C (H2O) ]n + n O2
CLOROFILLA
{
FASE LUMINOSA
FOTOSINTESI
-
H
FASE OSCURA
ASSORBIMENTO DELLA LUCE
SCISSIONE DELL'ACQUA
PRODUZIONE DI : O2 ATP NADPH
FISSAZIONE DELLA CO 2
SINTESI DELLA GLICERALDEIDE-3P
SINTESI GLUCIDICA
Nella fotosintesi
processo di conversione energia
inizia quando una molecola di
clorofilla è eccitata da un quanto di
luce (fotone) e un e- passa da un
orbitale ad uno ad energia più alta
Clorofilla eccitata è instabile tende
a stato originale in 3 modi:
1. convertendo energia extra in
calore (clorofilla in soluzione)
2.trasferendo energia a molecola
adiacente di clorofilla = trasferimento
di energia di risonanza, non viene
trasferito e3.trasferendo e- ad alta energia a
accettore di elettroni e ritornando
nello stato originale prendendo e- a
bassa energia da donatore di
elettroni
2. e 3. sono sfruttati nella fotosintesi
IL FOTOSISTEMA
Catalizzano conversione dell’energia della luce catturata dalla clorofilla in forme utili.
Energia della luce catturata nelle molecole di clorofilla eccitate forme utili di energia
Localizzato nella membrana tilacoide
Costituito da:
1. complesso antenna: proteine di membrana e numerose molecole di clorofilla che catturano
l’energia luminosa e quantità variabili di pigmenti accessori = carotenoidi
2. centro di reazione fotochimica: complesso proteina-pigmento transmembrana: coppia
speciale di molecole di clorofilla = trappola irreversibile per i quanti di eccitazione. Elettrone
eccitato passa subito a catena di accettori di elettroni, ambiente molto più stabile
clorofilla
carotene
A seconda della pianta, quantità variabili di pigmenti accessori, i carotenoidi,
che aiutano a raccogliere la luce con altre l, si trovano in ciascun complesso
antenna
IL FOTOSISTEMA
REAZIONI ALLA LUCE
Fotosintesi piante e cianobatteri produce ATP e NADPH mediante
fotofosforilazione non ciclica:
2 fotosistemi in serie per aumentare energia di un e-
Ogni e- che entra nel PS I è stato eccitato ad un livello E molto alto e può passare
al centro Fe-S della ferredossina (Fd) e quindi al NADPH
SCHEMA “Z”
I sistemi delle reazioni alla luce sono inseriti nella membrana tilacoide
In fotofosforilazione non ciclica poco più di una molecola di ATP per ogni coppia di e- che passa
da H2O a NADP+ per produrre NADPH
ma 1,5 molecole di ATP per NADPH sono necessarie per la fissazione del carbonio
per produrre ATP extra: cloroplasti di alcune piante attuano fotofosforilazione ciclica
fotosistema I trasferisce e- ad alta energia a complesso dei citocromi b6-f invece che a NADP+
reduttasi, così e- passano di nuovo a PSI a bassa energia e altri H+ sono pompati nello spazio
tilacoide
risultato netto: H+ pompato nel lume del tilacoide aumenta il gradiente elettrochimico sintesi
ATP
FOTOFOSFORILAZIONE CICLICA COINVOLGE SOLO IL FOTOSISTEMA I E PRODUCE
ATP SENZA LA FORMAZIONE DI NADPH E O2
REAZIONI AL BUIO
ATP e NADPH: fonte di energia e potere riducente per la conversione di CO2 (C
inorganico) in carboidrati (C organico)
Iniziano nello stroma del cloroplasto e continuano nel citosol della cellula
vegetale
Reazione centrale della fissazione del carbonio
Reazione catalizzata da ribulosio bisfosfato carbossilasi: grosso enzima.
Reazione avviene nello stroma, procede lentamente, sono perciò necessarie molte
molecole di enzima
Tale enzima costituisce spesso più del 50% delle pt totali del cloroplasto
Equazione netta:
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + acqua gliceraldeide 3-fosfato + 8Pi + 9ADP + NADP+
Ciclo di Calvin:
- guadagno netto di 3C
- 3 ATP e 2 NADPH utilizzati
per ogni molecola di CO2
maggior parte GAP che rimane
nel cloroplasto viene trasformata
in AMIDO = riserva di carboidrati
saccarosio = forma principale nella
quale lo zucchero è trasportato fra
le cellule vegetali
fogliefasci vascolari
PERO’
CO2
RIBULOSIO 1,5-DIFOSFATO
2 ( 3-FOSFOGLICERATO)
(C 5)
2 (C3)
RIBULOSIO 1,5-DIFOSFATO CARBOSSILASI
•
•
•
•
•
PM: circa 500.000
(NB: H2O 18).
Composto da 16 subunità: 8 prodotte dalla cellula e 8 dal cloroplasto.
Probabilmente è uno degli enzimi più antichi del Pianeta.
E’ il più abbondante sul pianeta.
E’ lento e fissa anche l’ossigeno FOTORESPIRAZIONE: utilizza O2 e produce CO2
senza produzione di depositi utili di energia
FOTORESPIRAZIONE
si
forma
fosfoglicolato e si perde circa 1/3 della
CO2 precedentemente fissata.
Fotorespirazione problema serio per piante in condizioni calde e secche, in cui chiudono gli
stomi (pori che scambiano gas nelle foglie) per evitare eccessiva perdita di acqua caduta
livelli CO2 che favorisce fotorespirazione
Per evitare la FOTORESPIRAZIONE le piante C3 si sono evolute in C4 e
successivamente in piante CAM.
Piante C3: effettuano il ciclo C3
Piante C4: effettuano il ciclo C4 e il ciclo C3 di giorno
Piante CAM: effettuano il ciclo C4 di notte e il ciclo C3 di giorno a stomi chiusi
Cactus spinoso (Opuntia sp.) è
una pianta CAM
Piante C3: ciclo di Calvin nelle
cellule del mesofillo
Piante C4: ciclo di Calvin confinato nelle cellule
della guaina del fascio, relativamente isolate
dalla CO2 e dall’O2 dell’atmosfera. Utilizzano il
ciclo di Hatch-Slack per raccogliere CO2 nelle
cellule del mesofillo e per concentrarla nelle
cellule della guaina del fascio, che circondano i
fasci vascolari della foglia. Tale disposizione
concentrica = anatomia Kranz, essenziale per
l’efficienza fotosintetica delle piante C4.
Ciclo di Hatch-Slack
Nelle cellule del mesofillo l’enzima
fosfoenolpiruvato
carbossilasi
(PEP
carbossilasi) combina CO2 con una
molecola a 3C, originando composto a 4C,
il malato, che diffonde nella c. della guaina
del fascio attraverso i plasmodesmi
Nella cellule della guaina il
malato viene demolito per
rilasciare CO2 e piruvato,
riportato nel mesofillo
Il pompaggio
costa energia.
della
CO2
Ma negli ambienti caldi e
secchi questo costo può
essere inferiore all’energia
persa dalla fotorespirazione
nelle piante C3 piante C4
hanno vantaggio potenziale
Fonte di
energia
Fissazione
CO2
Fissazione
N2
Esempio
FOTOAUTOTROFI
LUCE
SI
SI
cianobatteri
FOTOAUTOTROFI
LUCE
SI
NO
piante
CHEMIOAUTOTROFI
COMPOSTI
INORGANICI
SI
NO
solfobatteri
FOTOETEROTROFI
LUCE
solo per
produrre
ATP
NO
NO
alcuni
procarioti
COMPOSTI
ORGANICI
NO
NO
funghi e
animali
AUTOTROFI
ETEROTROFI
CHEMIOETEROTROFI
FISSAZIONE DELL’AZOTO
Tra tutti gli elementi minerali, Azoto limita maggiormente la crescita di
piante e la resa dei raccolti
PARADOSSO: piante soffrono carenza azoto
ma
atmosfera circa 80% azoto
Azoto atmosferico = N2 non è direttamente utilizzabile dalle piante
Deve essere convertito in NH3, con reazione che richiede grande
dispendio energetico perché il triplo legame della molecola di N2
conferisce notevole stabilità
Batteri azotofissatori:
1. procarioti che convertono N2 nella sua forma
utile mediante il processo di fissazione dell’azoto
2. possono vivere liberi nel terreno ma rendono
disponibile l’azoto fissato solo dopo la loro morte
3. vivono in simbiosi con le radici di certe piante:
Rhizobium vive in noduli situati a livello radici delle
leguminose (soia, piselli, fagioli, trifoglio, erba
medica) cede alla pianta sino al 90% dell’azoto
fissato e secerne alcuni aa nel terreno per rendere
azoto immediatamente disponibile a altri organismi
4. Rhizobium assume la forma di batteroide
contenuto in vacuoli di cellule radicali
5. la simbiosi è di tipo mutualistico
I grandi noduli rotondi si sviluppano in
corrispondenza di un esteso sistema
radicale e contengono batteri
azotofissatori
6. cianobatteri si associano con la componente
fungina dei licheni o con le felci
7. attinomiceti ( batteri filamentosi) con le radici
dell’ontano
Azoto viene fissato ad opera di nitrogenasi
La reazione richiede grandi quantità di energia:
per ogni molecola di NH3 16 di ATP (a seconda della specie batterica fornite da
fotosintesi o da processi respiratori)
Nitrogenasi è fortemente inibita da O2
•Ambiente interno dei noduli radicali in cui si trova Rhizobium è privo di ossigeno
•Grosso ostacolo nell’ottenimento di piante ricombinanti ottenute per inserimento
nel genoma del gene per la nitrogenasi: esclusione dell’ossigeno
NH3 fissato è potenzialmente tossico per le piante
Processo di nitrificazione converte ammoniaca in nitrati = NO3 I nitrati passano alla pianta che poi li riduce a nitriti e nuovamente ad
ammoniaca
