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Fisiologia Vegetale Come fanno le piante a utilizzare l’energia del sole per assimilare carbonio? Come ottengono e distribuiscono nutrienti e acqua dal suolo? Come crescono e si sviluppano? Come si adattano all’ambiente? Come si riproducono? Principali argomenti del corso Le piante: principi unificanti; la cellula vegetale; la parete cellulare 1) L’acqua: il trasporto dell’acqua nella pianta; trasporto xilematico; il trasporto di membrana; il trasporto floematico 2) Fotosintesi: reazioni alla luce; reazioni di assimilazione del carbonio; sintesi di saccarosio ed amido; adattamenti ambientali della fotosintesi 3) Nutrizione minerale: assimilazione dell’azoto 4) Accrescimento e sviluppo: embriogenesi; gli ormoni vegetali; il fitocromo; la fioritura PIANTE Organismi pluricellulari fotosintetici costituiti da cellule eucariotiche vacuolate e con pareti cellulosiche. Eventi principali nell’evoluzione delle piante Le piante terrestri si sono evolute Oltre 500 milioni di anni fa da alghe caroficee GIMNOSPERME “Piante a seme nudo”, circa 700 specie, sono le piante a seme più primitive Conifere ANGIOSPERME Piante a fiore. 250.000 specie Monocotiledoni e dicotiledoni Il corpo vegetativo delle piante consiste di due parti: Il sistema radicale Il sistema di parti aeree Sistema di parti aeree: fusto primario, rami Sistema radicale: radice primaria e radici secondarie e terziarie Tutte le piante nonostante la grande variabilità di morfologia attuano processi fondamentalmente simili e sono basate sullo stesso schema architettonico Monocotiledoni (grano, mais, riso, orchidee, bambù) Dicotiledoni (fagioli, rose,, girasole, querce) Elementi unificanti Autotrofia (fotosintesi) Immobilità Parete cellulare (sostegno meccanico; impermeabilità) Traspirazione Strutture di trasporto per l’acqua e nutrienti (xilema, floema) Crescita indeterminata (meristemi) Ogni organo vegetale consiste di diversi tessuti e ogni tessuto contiene molti tipi di cellule Gli organi vegetali consistono di tre diversi tessuti DERMICO VASCOLARE FONDAMENTALE In complesso questi tessuti contengono circa 40 diversi tipi cellulari Il corpo umano contiene diverse centinaia di tipi cellulari Piante organismi più semplici Organizzazione dei tre sistemi di tessuti nel corpo vegetativo della pianta LO XILEMA ED IL FLOEMA tessuto vascolare xilema floema responsabile del trasporto di H2O e nutrienti dalle radici alle foglie responsabile del trasporto di H2O e di vari composti nella pianta XILEMA: trasporto dell’acqua e dei sali minerali FLOEMA: trasporto dei fotosintati Sviluppo e differenziamento Piante: immobilità Maggiore capacità di adattamenti fisiologici Minore complessità anatomica rispetto agli animali Crescita indeterminata: mediante attività dei meristemi durante tutto il ciclo vitale Negli animali sviluppo stabilito essenzialmente durante l’embriogenesi LA CELLULA VEGETALE cellula eucariotica animale cellula eucariotica vegetale La cellula eucariota è caratterizzata dalla presenza di un sistema esteso di endomembrane Nella cellula vegetale: Nucleo Reticolo endoplasmatico Golgi Mitocondri Cloroplasti Vacuolo Microcorpi (perossisomi, gliossisomi) Oleosomi Cloroplasti Tilacoidi PLASTIDI: Cloroplasti: clorofilla; fotosintesi Cromoplasti: carotenoidi; colorazione di frutti e fiori Leucoplasti:(amiloplasti); accumulo di amido (nei tessuti di riserva del fusto, radice e seme) Le cellule meristematiche contengono proplastidi, che mancano di clorofilla e membrane interne. La luce innesca il differenziamento in cloroplasti. Semi germinanti al buio contengono ezioplasti che contengono i corpi prolamellari I cloroplasti (e i mitocondri ) sono organelli semiautonomi Possiedono un proprio DNA e un sistema di sintesi proteica (ribosomi, tRNA) •Evoluti da batteri endosimbionti •DNA in cromosomi circolari simili a quelli batterici (localizzati in nucleoidi) Genoma cloroplasto circa 145 kilobasi Genoma mitocondrio 200 kilobasi Il DNA del cloroplasto codifica per: rRNA, tRNA, Rubisco LS, e molte altre proteine necessarie alla fotosintesi GLICOSILGLICERIDI captazione energia della luce (reazioni alla luce) produzione ATP e NADPH utilizzazione NADPH e ATP per la riduzione di CO2 e la sintesi di zuccheri (reazioni al buio) ORGANIZZAZIONE DELL’APPARATO FOTOSINTETICO VACUOLO •riserva •digestione •omeostasi ionica •difesa da patogeni Membrana del tonoplasto Vacuoli In cellule giovani provacuoli che si originano dal trans Golgi network A maturità i provacuoli si fondono a formare grandi vacuoli che occupano gran parte del volume cellulare Raggiungimento di grandi dimensioni delle piante consentendo economia biosintetica. Contengono: acqua, ioni inorganici, zuccheri, enzimi, e metaboliti secondari (difesa da organismi patogeni) Ricchi di enzimi idrolitici: proteasi, ribonucleasi glicosidasi; ruolo litico dei vacuoli, rilascio di tali enzimi nel citosol durante processi degradativi come la senescenza Vacuoli specializzati in accumulo di proteine –corpi proteicinei semi di alcune specie L’accumulo di soluti garantisce al vacuolo la forza motrice osmotica per l’assorbimento di acqua, necessaria alla distensione cellulare vegetale Pressione di turgore necessaria alla crescita generata per via osmotica e responsabile del portamento ortotropo delle specie erbacee che mancano di tessuti lignificati di sostegno Microcorpi Compartimenti circondati da una singola unità di membrana specializzati in particolari vie metaboliche Perossisomi: presenti in tutti gli eucarioti nelle piante si trovano negli organi Fotosintetizzanti Rimuovono atomi di H da substrati consumando O2 RH2 + O2 R+ H2O2 H 2 O2 H2O + ½ O2 Il substrato è l’acido glicolico (FOTORESPIRAZIONE) Gliossisomi presenti nei semi che accumulano grassi contengono gli enzimi del ciclo del gliossilato che converte gli acidi grassi di riserva in zuccheri, traslocati al germoglio per fornire energia durante la germinazione. RH2 + O2 H2O2 R + H2O2 H2O + ½ O2 (CATALASI) FOTORESPIRAZIONE GLIOSSISOMI CORPI OLEOSI Strutture di accumulo dei trigliceridi Apparato del Golgi Rimozione mannosio; OH- glicosilazione (serina, treonina, tirosina) Nei vegetali Golgi sito di sintesi delle emicellulose e pectine componenti della parete cellulare LA PARETE CELLULARE FUNZIONI DELLA PARETE CELLULARE •Conferimento della forza meccanica •Mantenimento della forma •Controllo dell’espansione •Controllo del trasporto intercellulare •Protezione da microorganismi patogeni •Produzione di molecole segnale forma cellulare parenchima fogliare epidermide petali tracheide tricoma protoplasti La parete cellulare non è una struttura uniforme ma varia in composizione e aspetto nei vari tipi cellulari LA PARETE CELLULARE LAMELLA MEDIANA Si forma nelle fasi finali della mitosi ed è comune a cellule contigue PARETE PRIMARIA Si forma nelle cellule in crescita Struttura simile in tutte le cellule Spessore da 0.1 µm a 1 µm PARETE SECONDARIA Tipica delle cellule che hanno completato il processo di sviluppo È formata da più strati Ha una composizione e struttura altamente variabile (lignina) parete primaria lamella mediana pareti secondarie Formazione della piastra cellulare (precursore parete cellulare) fragmoplasto PLASMODESMI parete cellulare primaria parete cellulare secondaria Cellule che non hanno completato l’accrescimento Cellule che hanno completato l’accrescimento Componenti: Polisaccaridi (cellulosa, emicellulose, pectine) (85%) proteine strutturali Nella parete secondaria : Lignina Componenti della parete cellulare anomeria e Principali zuccheri costituenti della parete cellulare LA CELLULOSA •polimero lineare di D(+)glucosio in legame (14) •costituisce circa il 30% del peso delle pareti primarie •struttura a microfibrille •il grado di cristallizzazione e polimerizzazione è più elevato nelle pareti secondarie •l’orientamento delle microfibrille di nuova sintesi è perpendicolare all’asse di crescita della cellula lunghezza catene: da circa 2000 a circa 20000 residui di glucosio dimensioni microfibrille: da circa 30 catene (alghe) a circa 200 catene diametro 5-15 nm) LEGAMI IDROGENO TRA LE CATENE DI CELLULOSA STRUTTURA DELL’AMIDO complesso enzimatico della cellulosa sintasi famiglia multigenica CesA (1-4) -D-glucano (n) + UDP-glucosio (1-4) -D-glucano (n+1) + UDP Saccarosio sintasi: Saccarosio + UDP UDP-Glucosio + Fruttosio Modello del sito catalitico della cellulosa sintasi MATRICE fase amorfa della parete alto contenuto in H2O polisaccaridi emicellulose pectine proteine HRGP (estensine) GRP PRP AGP EMICELLULOSE gruppo eterogeneo di polisaccaridi alta variabilità (tessuti, specie) XILOGLUCANI XILANI GLUCANI MANNANI GLUCOMANNANI non formano fibrille perché ramificati o non lineari Sintetizzate nel Golgi da glucosiltrasferasi famiglia multigenicaCsI XILOGLUCANI 9-3000 kDa 20% peso secco dicotiledoni 2% peso secco monocotiledoni polimero di unità di D(+)glucosio in legame (14), con residui di xilosio legati in posizione 6 allo xilosio è legata una molecola di galattosio in posizione 2 spesso al galattosio è legata una molecola di fucosio La presenza di catene laterali negli xiloglucani impedisce la formazione di fibrille come nella cellulosa La lunghezza delle catene di xiloglucano è tale (50-500 nm) che essi possono legare insieme diverse fibrille di cellulosa (distanza 20-40 nm) XILANI emicellulose più abbondanti nella parete primaria delle monocotiledoni polimero lineare di D-xilosio in legame (14) diverse catene laterali in posizione O-2 e O-3 (arabinosio e acido 4-ossi-metil glucuronico) GLUCANI tipici delle graminacee polimeri di D(+) glucosio in legame (13) e (14) GLUCOMANNANI tipici delle conifere D(+)glucosio e D(+)mannosio in rapporti variabili, in legame (14) galattosio in legame (16) MANNANI endosperma dei semi mannosio in legame (14) PECTINE Gruppo eterogeneo di polisaccaridi contenenti uno zucchero acido, l’acido galatturonico, e residui di ramnosio, arabinosio, galattosio e xilosio Il gruppo acido può essere esterificato formano gel in presenza di ioni bivalenti (gelatine di frutta) Omogalatturonano (acido poligalatturonico) polimero lineare di unità di acido -D galatturonico unite da legami 1-4 (circa 200 unità, 100 nm) Ramnogalatturano Tipo I è la pectina più abbondante. Polimero composto da unità ripetute del disaccaride 2)-D-Rha-(14) -D-Gal-(1 catene laterali legate al Rha (15 o 14) Ramnogalatturonano Tipo II struttura molto complessa (almeno 10 zuccheri differenti) forma dimeri (legami con boro) I gruppi carbossilici delle pectine possono essere esterificati (CH3O-) enzimaticamente , prevenendo così l’interazione con il calcio e riducendo la gelificazione; i gruppi estere possono essere rimossi dalle pectina metil esterasi PROTEINE DELLA PARETE ESTENSINA (HRGP) motivo Ser-(Hyp)4 residui di idrossiprolina glicosilati (arabinosio) alcune serine glicosilate (galattosio) forma legami intermolecolari insolubile FUNZIONI limitazione dell’estensione cellulare resistenza a patogeni PRP (proline -rich protein) GRP (glycine -rich protein) AGP (proteine arabino galattaniche) ESTENSINA (HRGP) Localizzate nel cambio, nel parenchima del floema e negli sclerenchimi GRP : 70% di glicina; localizzate nei vasi xilematici PRP: unità ripetitiva Pro-Pro-X-X-Lys; localizzate nei vasi xilematici, nelle fibre e nel cortex La quantità varia a seconda del tipo cellulare la maturazione o diversi stimoli p es l’attacco di patogeni AGP: altamente glicosilate, arabinogalattano (90%) i diversi tipi di legame tra i componenti della parete Legami tra pectine modello trama-ordito PARETE SECONDARIA cessazione crescita ispessimento della parete primaria per stratificazione di materiale •forma cellulare •sostegno meccanico della pianta •difesa •riduzione della traspirazione componenti: cellulosa (in strati sovrapposti) cuticola (cutina e cere) suberina lignina Organizzazione della parete cellulare in cellule con parete secondaria (tracheidi) LIGNINA polimero di natura fenolica costituenti: alcol coniferilico alcol sinapilico alcol cumarilico la via metabolica inizia dalla fenilalanina, che si forma dalla via dell’acido scichimico PAL= fenilalanina ammoniaca liasi enzima regolatore del metabolismo secondario sotto il controllo (enzima inducibile) di: •luce •ormoni •ferite •infezioni fungine la polimerizzazione avviene mediante un meccanismo ossidativo che comporta la formazione di radicali liberi perossidasi: emoproteina H2O2-dipendente laccasi: ossidasi O2-dipendente non esiste una unità ripetitiva Parete secondaria Lignina Xilani invece di xiloglucani Maggiore percentuale di cellulosa Microfibrille orientate parallelamente ESPANSIONE CELLULARE Determinata dal TURGORE CELLLULARE La direzionalità è determinata dalla struttura della parete ORIENTAMENTO DELLE MICROFIBRILLE DI CELLULOSA Orientamento isotropo Orientamento anisotropo (trasversale all’asse di crescita) LA CRESCITA PER DISTENSIONE AUMENTO DELLE DIMENSIONI SENZA DIVISIONE CELLULARE CONSENTE ALLE PIANTE DI RAGGIUNGERE DIMENSIONI NOTEVOLI CON RISPARMIO ENERGETICO E BIOSINTETICO (espansione della superficie fogliare per la cattura dell’energia luminosa) Il vacuolo accumula sostanze aumenta la concentrazione osmotica determinando una diminuzione del potenziale idrico vacuolo vacuolo Se la parete si rilassa, sotto la spinta del turgore la cellula aumenta di volume aumento della P di turgore (0,3-1 MPa) CRESCITA PER DISTENSIONE IL FATTORE DI RILASSAMENTO ELLA PARETE E’ IL PROTONE INFATTI LA CRESCITA PER DISTENSIONE E’ CHIAMATA ANCHE CRESCITA ACIDA LA CRESCITA E’ ACCOMPAGNATA DA UN ABBASSAMENTO DEL pH DELLA PARETE CELLULARE crescita per distensione Le espansine a valori di pH acidi sono in grado di interferire con la formazione dei legami idrogeno tra i polisaccaridi di parete H+ H+ H+ H H+ H + + H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H + H+ H+ Enzimi in grado di modificare la parete cellulare Espansine: rompono i legami idrogeno (in arabidopsis 2 famiglie multigeniche EXPA; EXPB (1-4) -d-glucanasi: EGases; tagliano (1-4)-d glucani (xiloglucani) 2 famiglie geniche: XTH (Xiloglucano endotransglicosilasi/idrolasi) (crescita) EGasi (maturazione dei frutti , abscissione) ALCUNI MEMBRI DELLA FAMIGLIA XTH ROMPONO E RIFORMANO LEGAMI TRA I GLUCANI XET: Xiloglucanoendotransglicosilasi ESTENSIMETRO: MISURA DELLA CRESCITA ACIDA MISURA DELL’ESTENSIBILITA’ DI PARETI CELLULARI ISOLATE Protezione da microorganismi patogeni Fonte di molecole segnale
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