Botanica e
Diversità Vegetale
AA 2016-2017
canale O-Z
IL NUCLEO
Nelle cellule degli Eucarioti si
sono
evoluti
meccanismi
perfezionati di sintesi proteica e
di EQUA distribuzione del
materiale genetico
cellula eucariote vegetale
Il nucleo di una cellula eucariote
è circondato da una membrana doppia
Involucro
nucleare
Pori
nucleari
(metafasici)
NUCLEO
La membrana esterna dell’involucro
nucleare mostra continuità con
quelle del reticolo endoplasmatico
ruvido (RER)
I pori nucleari garantiscono la continuità tra
nucleo
e
citoplasma.
Sono
strutture
complesse, la cui funzione è il trasporto attivo
delle molecole da e verso il citoplasma
Immagini da: Botanica Generale e Diversità Vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, Piccin
Cosa contiene il NUCLEO?
• PROTEINE: sono il componente principale
(fino al’80% del peso secco)
• ACIDI NUCLEICI: rappresentano circa il
15%
Il NUCLEOLO
E’ una regione del nucleo NON delimitata
da membrana (di circa 4 micron di
diametro) in cui sono sintetizzati ed
accumulati gli RNA ribosomali
Il DNA per svolgere le sue funzioni deve
essere
ACCESSIBILE
in
modo
ORDINATO e SELETTIVO ai complessi
macchinari molecolari che presiedono alla
REPLICAZIONE ed alla TRASCRIZIONE
Acidi nucleici
DNA
RNA
Le basi azotate degli acidi nucleici
adenina
guanina
uracile
timina
citosina
DNA e RNA a confronto
Nell’organizzazione a “catena di perle” della
cromatina il DNA degli Eucarioti è avvolto
attorno agli istoni.
Sono piccole proteine, ricche in amminoacidi
basici (lisina, arginina) che formano legami di
natura elettrostatica con il DNA (acido).
nucleosoma
Immagini da: Botanica Generale e Diversità Vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, Piccin
L’unità organizzativa della cromatina si chiama
NUCLEOSOMA (8 proteine istoniche avvolte dal DNA)
Il compattamento del DNA nei nucleosomi produce una fibra
di cromatina di 10 nm di diametro...perchè questa complessa
organizzazione?
L’organizzazione del DNA nella CROMATINA è in relazione
con la necessità di COMPATTAMENTO di notevoli quantità
di DNA nel nucleo
La trascrizione dei GENI è preceduta da
modificazioni strutturali della cromatina
Da questa forma meno condensata, la
cromatina può ulteriormente condensarsi
per azione di “istoni linker” che le
conferiscono una struttura a solenoide
(fibra da 30 nm). Inoltre, queste fibre
possono essere ripiegate ulteriormente su
sé stesse a formare fibre di cromatina più
spesse, visibili nei nuclei delle cellule che
si preparano alla mitosi (interruzione
della trascrizione del DNA).
Il cromosoma ha la stessa struttura del
DNA interfasico
La cromatina (DNA+proteine) non è
uniformemente ripartita nel nucleo
(altamente condensata)
Solo l’eucromatina viene trascritta nelle cellule in interfase
Dimensione del genoma dei vegetali
Tuttavia un elevato contenuto di DNA NON corrisponde
necessariamente ad un maggior numero di geni, che potrebbero
indicare una maggiore complessità dell’organismo. Solo una piccola
parte viene trascritta in molecole funzionali di RNA.
Immagine da: Botanica Generale e Diversità Vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, Piccin
Piante in cui è stato sequenziato il genoma:
Arabidopsis thaliana c.ca 25000 geni
Oryza sativa c.ca 60000 geni
Il 45% del genoma del riso è costituito da
DNA non trascritto (sequenze regolative,
DNA ripetitivo, introni...)
Mentre nei procarioti la maggior parte
del DNA codifica per RNA e proteine,
negli eucarioti una buona parte non è
codificante
L’aumento della dimensione del genoma all’interno della
stessa specie può avvenire per poliploidia, fenomeno
frequente negli organismi vegetali
Immagini da: Botanica Generale e Diversità Vegetale, Pasqua-Abbate-Forni, Piccin
La poliploidia è frequente nelle piante
n
2n
6n
EUCARIOTI
mRNA: si forma nel nucleo e migra nel citoplasma
Nei procarioti, dove non ci
sono diversi compartimenti
per la trascrizione e la
traduzione,
l’mRNA
può
iniziare ad essere tradotto
prima che la trascrizione
abbia termine
La trascrizione
Il codice genetico
La trascrizione degli eucarioti è operata da
tre diverse RNA polimerasi
• RNA polimerasi I: sintesi dei grandi RNA
ribosomali
• RNA polimerasi II: trascrive gli RNA
messaggeri
• RNA polimerasi III: sintesi dei piccoli
RNA ribosomali e degli RNA transfert
tRNA: l’anticodone serve all’interazione
con il codone dell’mRNA
Ribosomi 80S negli eucarioti
Sintesi proteica
La maggior parte dei ribosomi sono
associati al reticolo
endoplasmatico ruvido
L’informazione proteica può passare da una
cellula all’altra
EUCARIOTI
Evoluzione dei meccanismi di EQUA distribuzione
del materiale genetico, in modo tale che tutte le
cellule
somatiche
dell’organismo
siano
geneticamente identiche.
Come si realizza? Attraverso la Mitosi
Di cosa fa parte? Del CICLO CELLULARE
IL CICLO CELLULARE
NELLA CELLULA VEGETALE
Immagine da: La biologia delle piante di Raven, RT Evert & SE Eichhorn, Zanichelli
Nelle piante ci
sono popolazioni
di
cellule
che
mantengono attivo
il ciclo cellulare
per tutta la vita
della
pianta:
i
meristemi
Regione apicale di una radice. La freccia
indica la porzione meristematica.
Immagine da: http://www.atlantebotanica.unito.it
Cellule in
diverse fasi
del ciclo
cellulare
Cos’è il CICLO CELLULARE?
Il SUCCEDERSI DI
INTERFASE, MITOSI E CITODIERESI
MITOSI o CARIOCINESI: divisione del nucleo
in
due
nuclei
figli
equivalenti
morfologicamente
e
geneticamente
all’originale e tra loro
CITODIERESI o CITOCINESI: divisione del
citoplasma della cellula madre che porta alla
formazione di due cellule figlie, ciascuna
contenente un nucleo
INTERFASE: periodo che intercorre tra due
mitosi successive. E’ un periodo di intensa
attività cellulare. A sua volta si svolge in tre
tempi: G1 (gap 1), S (sintesi), G2 (gap 2)
Di norma la cellula opera la
maggior parte del suo normale
metabolismo in fase G1 (fase di
crescita
del
materiale
citoplasmatico,
di
sintesi
proteica)
Fase S: duplicazione
del DNA
Specifici complessi
proteici controllano
la transizione da
una fase all’altra
Fase S
Replicazione semiconservativa
del DNA
La mitosi (divisione nucleare o fase M del ciclo
cellulare) è un processo continuo, distinto per
convenzione in 4 fasi:
PROFASE
METAFASE
ANAFASE
TELOFASE
caratterizzate da assetti
citoscheletrici distinti
cromosomici
e
La metafase
inizia con la
comparsa del
fuso mitotico
L’inizio
della
migrazione dei
cromosomi
segna l’inizio
dell’anafase
Nelle cellule vegetali il fuso
mitotico
non
è
l’unica
impalcatura di microtubuli che
compare durante la mitosi
13 protofilamenti allineati
con la stessa polarità:
+ estremità a crescita rapida
- estremità a crescita lenta
Alfa e beta tubulina si associano in un dimero, detto tubulina, e i dimeri
si aggregano a formare un microtubulo, cavo, di 24 nm di diametro. La
sua depolimerizzazione in monomeri ne consente il riciclo.
L’assemblaggio
dei
microtubuli
avviene in specifici siti, noti come
COMT
(centri
organizzatori
di
microtubuli), tra i quali la superficie
del
nucleo
e
le
porzioni
citoplasmatiche al di sotto della
membrana plasmatica
La disposizione dei microtubuli
nella cellula (animale o vegetale)
può
essere
evidenziata
mediante l’uso di anticorpi antitubulina legati ad una sostanza
fluorescente.
E’ una disposizione altamente
dinamica
Funzione dei microtubuli
(componenti principali del citoscheletro)
- Mitosi
- Divisione cellulare
- Deposizione della parete cellulare (cellulosa)
- Secrezione
- Movimento (ciglia e flagelli)
Microtubuli
corticali
Banda
preprofasica
Fuso
mitotico
Fragmoplasto
In una cellula che si prepara alla mitosi, al
termine della fase G2, compare, livello
dell’equatore del futuro fuso mitotico, la
BANDA PREPROFASICA, una fascia di
centinaia di microtubuli paralleli, disposti
ortogonalmente all’asse del futuro fuso
mitotico
La banda preprofasica deriva dal
disassemblaggio dei microtubuli corticali
interfasici
I microtubuli del fuso si
organizzano utilizzando la
tubulina derivante dal
disassemblaggio
della banda preprofasica
La
regione
dove
i
cromosomi si dispongono
allineati
in
metafase
prende il nome di piastra
metafasica o equatoriale
CROMOSOMA METAFASICO
Alla fine della metafase il centromero di ciascun cromosoma si divide, per
degradazione enzimatica, e i cromatidi, resi liberi, iniziano a muoversi
separatamente segnando l’inizio dell’ANAFASE
I microtubuli presentano una polarità strutturale (estremità + ed estremità -)
con velocità di assemblaggio diverse
Il
disassemblaggio
dei
microtubuli cinetocorici (al polo -)
e l’intervento di proteine motrici,
le DINEINE, cooperano alla
migrazione dei cromosomi verso
i poli
A differenza della cellula animale, nella cellula di una
pianta in mitosi non si osservano né centrioli né aster. Il
fuso mitotico viene organizzato a partire da regioni (dense
ed amorfe al microscopio elettronico a trasmissione)
poste
ai
poli
fusali,
definite
COMT
(centri
di
organizzazione dei microtubuli), non sempre ben definite.
Le KINESINE sembrano coinvolte nell’assemblaggio dei
microtubuli del fuso.
Il fragmoplasto cresce in direzione
centrifuga:
formano
ai
nuovi
suoi
microtubuli
bordi
si
esterni
(contribuendo alla crescita centrifuga
della piastra cellulare) mentre quelli
centrali depolimerizzano
Funzioni del FRAGMOPLASTO:
Convogliare sul piano equatoriale della cellula le
vescicole golgiane deputate all’organizzazione della
PIASTRA CELLULARE che, quando raggiunge le
pareti
della
MEDIANA
cellula-madre,
è
detta
LAMELLA
La citodieresi nelle piante coinvolge il fragmoplasto,
assetto microtubulare assente nelle cellule animali
La lamella mediana è comune alle due
cellule figlie
Sui lati opposti della lamella mediana verrà
depositata la PARETE PRIMARIA, propria
di ognuna delle cellule figlie
La lamella mediana è fatta di pectine e
forma un gel adesivo tra le pareti
di cellule adiacenti
Funzione dell’apparato mitotico
Produrre con la massima precisione ed
il minimo dispendio di energie e
materiali almeno due nuclei da quello
originale, e di assicurare che ciascun
nucleo contenga almeno una copia
dell’informazione genetica totale
Riassumendo…
DISPOSIZIONE DEI MICROTUBULI
NEL CICLO CELLULARE
A
microtubuli
(in
rosso) sono associati
perossisomi (in verde)
NB: Nell’immagine le proteine dei perossisomi
sono legate ad una proteina fluorescente verde
che ne consente l’identificazione
I microfilamenti (actina F),
con spessore 8-10 nm,
consistono in due catene
lineari di una proteina
globulare (actina G) avvolte
l’una attorno all’altra a
spirale. Questi filamenti
sono polarizzati, con un
terminale di allungamento +
e uno di demolizione -
Anche i microfilamenti
di actina sembrano
contribuire all’apparato
mitotico
PROTEINE MOTRICI
Diversi tipi di proteine motrici intervengono nel
trasporto di organuli, vescicole, cromosomi o
macromolecole (“cargo”) all’interno della cellula.
- DINEINE, che si muovono lungo i microtubuli
verso l’estremità –
- KINESINE, che si muovono lungo i microtubuli
solitamente verso l’estremità +
- MIOSINE che si muovono lungo i filamenti di
actina
Il loro scorrimento avviene grazie all’energia
fornita dall’idrolisi dell’ATP
E’ possibile aumentare sperimentalmente il
numero dei cromosomi di una cellula in mitosi?
SI
Mediante la colchicina, un alcaloide
naturale che, interferendo con la
formazione del fuso mitotico, blocca la
cellula in metafase. Conseguenza:
raddoppiamento
del
numero
di
molecole di DNA rispetto alla cellula
parentale.
