Citomembrane (plasmalemma e membrane biologiche) • • • • • • La struttura della membrana plasmatica (o plasmalemma) è fondamentalmente simile a quella di tutte le membrane biologiche. Separa nettamente il contenuto cellulare dall’ambiente esterno ma al tempo stesso permette gli scambi tra cellula e ambiente. Le molecole che più concorrono alla costituzione delle membrane sono i lipidi, prevalentemente fosfolipidi ed in parte anche glicolipidi. Doppio strato fosfolipidico. All ’ interno del doppio strato sono presenti molecole proteiche di forma più o meno globosa: alcune di queste sono completamente immerse nel doppio strato (proteine intrinseche) altre legate alla superficie della membrana (proteine estrinseche) (modello a mosaico fluido). Spessore 7-8 nm Talvolta le proteine sono associate ad una porzione glucidica a dare gliocoproteine che come i glicolipidi, hanno funzione di riconoscimento (ormoni, anticorpi…) La disposizione delle proteine in seno alla membrana fa sì che essa sia caratterizzata da ASIMMETRIA sia strutturale che funzionale Trasporto attraverso la membrana • Le membrane biologiche hanno le caratteristiche chimico-fisiche delle membrane semipermeabili e facilitano il passaggio delle sostanze utili al metabolismo cellulare. • Trasporto passivo: le sostanze attraversano la membrana cellulare senza dispendio di energia (diffusione semplice e diffusione facilitata). Il trasporto avviene nella direzione del gradiente di concentrazione. Diffusione facilitata (proteina canale e proteina carrier). Trasporto attivo: la sostanza viene trasportata contro gradiente di concentrazione. Tale trasporto richiede energia (ATP). Pompa protonica • Trasporto mediato da vescicole • 1. 2. Nelle cellule eucariote, le proteine, i polisaccaridi e tutte le molecole che non possono essere trasportate attraverso la membrana cellulare sono trasportate da vescicole: Esocitosi: verso l’esterno Endocitosi: verso l’interno (pinocitosi, fagocitosi ed endocitosi mediata da recettori) Citoplasma • • • • • Il plasmalemma racchiude un materiale semifluido CITOPLASMA nel quale sono sospesi gli organuli cellulari. Il citoplasma è costituito da una soluzione acquosa detta citosol Il componente chimico più abbondante del citoplasma è costituito da proteine ad attività enzimatica e tutto ciò che è necessario al metabolismo cellulare (aminoacidi, nucleotidi, lipidi, sali inorganici) Nel citoplasma hanno sede alcune tra le più importanti vie metaboliche della cellula (ad es. glicolisi) Tutto il citoplasma è intersecato da membrane simili al plasmalemma, che delimitano un sistema chiuso di canali e sacchi appiattiti che costituiscono il reticolo endoplasmatico RETICOLO ENDOPLASMATICO • • 1. 2. È costituito da una rete tridimensionale di membrane aventi la stessa struttura della membrana cellulare La morfologia e l ’ estensione del sistema di canali del reticolo endoplasmatico (RE) cambiano in funzione dell ’ attività metabolica della cellula: Nelle cellule per lo più impegnate a sintetizzare proteine destinate all ’ accumulo o alla secrezione, il RE è prevalentemente formato da cisterne rivestite esternamente da ribosomi (RETICOLO ENDOPLASMATICO RUVIDO). Se la cellula invece è deputata principalmente alla sintesi di lipidi il RE è prevalentemente costituito da tubuli privi di ribosomi superficiali (RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO) FUNZIONI: • • 1. 2. È un efficiente sistema per trasportare velocemente metaboliti di vario tipo nell ’ ambito della stessa cellula e anche di cellula in cellula. Associazione RE con ribosomi consente la sintesi di diversi tipi di proteine che immesse nei tubuli possono avere diverso destino: Possono venire accumulate come riserva nei vacuoli Vengono esportate, allora il RE è in cooperazione con l ’ apparato del Golgi RIBOSOMI • • Costituiscono una popolazione omogenea di particelle globulari caratterizzate da un coefficiente di sedimentazione 70S (50S e 30S) nelle cellule procariotiche e 80S (60S e 40S) in quelle eucariotiche Ciascun ribosoma è formato di 2 subunità diverse. Composizione chimica: • RNA-ribosomiale (r-RNA) • Proteine Funzione: sintesi delle proteine in base alle informazioni fornite dal DNA Localizzazione: • Associati alla membrana del RE • Liberi nel citoplasma o riuniti a formare i polisomi Apparato del Golgi • • É formato da una serie di sacchi (sacculi o cisterne) delimitati da membrana, appiattiti e disposti in pila l’uno sull’altro (dittiosoma), da cui si distaccano lateralmente delle vescicole sferiche. L ’ apparato del Golgi è implicato in numerosi processi di sintesi e di “imballaggio” di macromolecole (polisaccaridi, glicoproteine, glicolipidi) che verranno secreti all’esterno o trasportati in altri compartimenti della cellula, grazie alle vescicole che si distaccano dai sacculi. GLICOPROTEINE: la parte proteica è sintetizzata dai ribosomi associati al RE. Dal RE la proteina passa nei sacculi del Golgi ( in connessione col RE) che vi aggiunge la porzione glucidica. La glicoproteina prodotta verrà poi trasportata all’esterno delle vescicole. MITOCONDRI • Similmente ai cloroplasti, i mitocondri sono delimitati da due membrane unitarie. La membrana interna si introflette formando, all ’ interno del mitocondrio, ampie pieghe o proiezioni, dette creste mitocondriali, aumentando notevolmente la superficie disponibile per gli enzimi e le reazioni ad essi associate. Lo spazio tra le due membrane è detto spazio perimitocondriale. La componente non membranale più interna è conosciuta come matrice. Appaiono come cilindri lunghi circa 3-5 m e con un diametro di 0.5-1 m. Come i cloroplasti sono organelli semiautonomi e contengono il corredo necessario per la sintesi di alcune delle loro proteine. Infatti nella matrice sono contenute proteine, ribosomi 70S e un DNA circolare. La loro origine è simile a quella dei cloroplasti per simbiosi con cellule eucariotiche. • FUNZIONI: Sono i siti della respirazione, un processo che comporta la demolizione (ossidazione) di molecole organiche con liberazione di energia e sintesi di molecole di ATP (adenosintrifosfato), la principale fonte di energia chimica per tutte le cellule. Tendono a raccogliersi dove vi è più richiesta di energia Nucleo E’ il centro di controllo delle funzioni cellulari. La membrana nucleare è duplice. Il nucleo dirige i processi che si verificano nel citoplasma. Il nucleoplasma è il fluido contenuto nel nucleo; contiene ioni, enzimi, nucleotidi di DNA o RNA, proteine. Il DNA si intreccia a formare strutture complesse, conosciute come cromosomi. In cellule che non si stanno dividendo i cromosomi sono avvolti meno strettamente e formano la cromatina, lunghi filamenti di DNA che appaiono come una rete. Il nucleo controlla le funzioni cellulari attraverso la regolazione della sintesi proteica: (DNA>>>RNA>>>PROTEINE). Contiene il codice genetico Citoscheletro Reticolo di filamenti di natura proteica interna, che conferisce al citoplasma rigidità e flessibilità. Interviene nella crescita, nella divisione e nella differenziazione cellulare. Permette il movimento della cellula ed il trasporto interno di materiale. È altamente dinamico e cambia continuamente. Costituito da: Microfilamenti: producono movimenti e cambiamenti di forma nella cellula Filamenti intermedi: forniscono solidità, stabiliscono le posizioni degli organuli, trasportano il materiale all’interno del citoplasma. Microtubuli: Costituiscono i componenti primari del citoscheletro, conferendo alla cellula solidità e rigidità e fissando la posizione degli organuli. Gli organuli, le vescicole di trasporto ed i mitocondri si attaccano ai microtubuli, che servono come binari lungo i quali spostarsi. Quali sono le altre strutture cellulari? Parete, reticolo endoplasmico (ruvido e liscio), apparato di Golgi, mitocondri, plastidi, vacuoli, ribosomi, citoscheletro … Molti aspetti della cellula vegetale sono comuni a quella animale. Tuttavia, esistono diversi elementi strutturali e funzionali esclusivi che le distinguono. La cellula vegetale in sintesi: struttura e funzione degli organuli esclusivi Le altre strutture cellulari: CENNI (mitocondri, reticolo endoplasmico liscio e ruvido, citoscheletro, apparato di Golgi, ribosomi, …). Sono comuni alla cellula animale e verranno ulteriormente approfondite nelle lezioni dei corsi ufficiali di biologia (vegetale e animale) PARETE: in tutte le cellule vegetali l’esterno della membrana plasmatica è circondato da un robusto rivestimento noto come parete cellulare. Costituzione: Matrice (o sostanza fondamentale): 60% H2O, proteine, lipidi, emicellulose, pectine Sistema fibrillare: fibrille di cellulosa Funzione: Protezione Contribuisce a determinare la forma della cellula Controbilancia la pressione osmotica del succo vacuolare (concetto di osmosi) Rigidità cellulare Struttura: Lamella mediana (sostanze pectiche: si forma nelle prime fasi della divisione cellulare), parete (primaria, secondaria) Parete cellulare Parete cellulare È caratteristica delle cellule vegetali e batteriche FUNZIONI: 1. Protezione del protoplasto 2. Meccanica o sostegno 3. Responsabile della forma della cellula 4. Controbilancia la pressione di turgore 5. Mantiene la continuità citoplasmatica grazie alla presenza dei plasmodesmi (cordoni citoplasmatici tra una cellula e quella adiacente) GENESI: “ex-novo”. I materiali che costituiscono la parete arrivano dal citoplasma di conseguenza la parete si ispessisce in direzione centripeta (sistema celluloso-sintetasi) Biogenesi della parete: avviene in 3 momenti: 1. 2. 3. Formazione della lamella mediana Formazione della parete primaria Formazione della parete secondaria ( non si forma sempre) Formazione lamella mediana La lamella mediana è la prima struttura a comparire : infatti, al momento della divisione cellulare, all’anafase, si ha la comparsa del fragmoplasto, un insieme di microtubuli che si aggiungono a quelli del fuso mitoitico e che hanno la funzione di orientare e dirigere vescicole provenienti dall ’ apparato del Golgi. Le vescicole si fondono fra loro ed il loro contenuto va a formare la lamella mediana. La lamella mediana è comune alle due cellule figlie ed è costituita da protopectine e pectine. Ha funzione cementante nel senso che tiene unite le cellule adiacenti Pectine • • • Sono eteropolisaccaridi filamentosi polimeri dell’acido galatturonico. Le unità di acido galatturonico sono unite con legame 1,4. Nel polimero possono esserci anche molecole di galattani e arabani. Sono presenti nella lamella mediana e nella parete cellulare. Il polimero di acido galatturonico può essere salificato con Ca++ e Mg++ Parete primaria FORMAZIONE Contemporaneamente alla formazione della lamella mediana, ciascun protoplasto provvede alla formazione della propria parete. La parete primaria si trova a ridosso della lamella mediana e si forma durante la fase di distensione cellulare adattandosi all’aumento di dimensioni della cellula per questo motivo è sottile ed elastica. È costituita da: 1. Matrice (prevalente) 2. Sistema fibrillare (meno abbondante con tessitura dispersa) COMPOSIZIONE Matrice: • H2O (60%) • Emicellulose Sintetizzate nel • Sost. Peptiche Golgi • Proteine: enzimatiche e strutturali (estensina: glicoproteina) Sistema fibrillare: • Piante superiori: cellulosa (sintetizzata sul plasmalemma dove si trova il complesso enzimatico della celluloso-sintetasi) • Funghi:chitina • Lieviti: poliglucani • Alghe: composti vari tra cui anche la cellulosa. Emicellulose • • Xiloglucani Xilani Eteropolisaccaridi formati da polimeri di pentosi e esosi (xilosio, mannosio, arabinosio. Funzioni: 1. strutturali nella parete cellulare: sono saldamente legati alle microfibrille di cellulosa con legami idrogeno tenendo insieme le microfibrille adiacenti 2. di riserva nell’endosperma di alcuni semi Cellulosa CELLULOSA: polisaccaride formato da molecole di -glucosio unite insieme con legame glucosidico 1,4 L ’ unità fondamentale è il cellobiosio, dimero del glucosio. Quindi la cellulosa è costituita da tante molecole di cellobiosio. Conferisce elasticità e resistenza. Resistenza a torsione, compressione, trazione, flessione -glucosio:ossidrile in basso -glucosio:ossidrile in alto cristalliti Macrofibrille (M.O.) Microfibrille (10-25 nm) Fibrille di cellulosa Da Raven et al., 1990 Biologia delle piante Zanichelli ed Schema della struttura della parete • Le microfibrille di cellulosa sono contornate da emicellulose (in rosso) che sono collegate a molecole di pectina (verde). In nero sono evidenziate le glicoproteine (estensine). La parete primaria deve assecondare la crescita per distensione della cellula: accrescimento in superficie L’accrescimento in spessore si ha quando la cellula è adulta Da Longo C., 1986 Biologia vegetale UTET ed Parete secondaria 1. 2. 3. 4. 5. Quando è completato l’accrescimento per distensione della cellula e la parete primaria non è più estensibile, in molte cellule, all’interno della parete primaria si depone in direzione centripeta, ad opera del protoplasto, una parete secondaria, molto più spessa (riduzione del lume cellulare dovuto alla deposizione di lamelle concentriche). Rispetto alla parete primaria: Matrice scarsa Sistema fibrillare: prevalente costituita da cellulosa in fibrille disposte parallelamente ma con diversi orientamenti Tessitura parallela (t. fibrosa, t. ad elica, t. anulare) Maggiore rigidità Accrescimento in spessore Come comunicano la cellule tra loro? I Plasmodesmi Al microscopio elettronico i plasmodesmi appaiono come stretti canali delimitati dalla membrana plasmatica e attraversati da un tubulo di reticolo endoplasmatico noto come desmotubulo. Molti plasmodesmi si formano durante la divisione cellulare come tubuli del RE che vengono intrappolati nella piastra cellulare in via di formazione PUNTEGGIATURA Il collegamento tra i citoplasmi di due cellule contigue è dato dai plasmodesmi L ’ accrescimento in spessore della parete, per apposizione di più strati, in genere non è omogeneamente continuo. Piccole aree della parete primaria non vengono coperte dalla parete secondaria, per cui rimangono non ispessite e costituiscono le punteggiature. Con l’apposizione di più strati della parete secondaria le punteggiature assumono l ’ aspetto di canalicoli detti porocanali. Punteggiature areolate • Sono tipiche delle fibrotracheidi delle gimnosperme. Hanno la funzione di regolare il trasporto della linfa nei tessuti di conduzione. Il toro funziona come una valvola bloccando la comunicazione tra vasi adiacenti nel caso sorgano dei problemi (formazioni di bolle) Toro: ispessimento della lamella mediana Da Senatore F., 2004 Biologia e Botanica Farmaceutica Piccin ed. Pectina Modificazioni secondarie della parete 1. 2. 3. Con la conquista delle terre emerse la pianta necessita di: Trasporto dell’acqua Protezione dall’evaporazione Sostegno Tipi di modificazioni secondarie della parete: 1. Lignificazione 2. Suberificazione 3. Cutinizzazione 4. Gelificazione 5. Mineralizzazione 6. Pigmentazione Le sostanze che determinano le modificazioni secondarie della parete possono essere: 1. Incrostanti: si insinuano tra le fibrille di cellulosa, depositandosi nella matrice. 2. Apposte: contro la parete senza insinuarsi nella matrice Importanza farmaceutica della parete La cellulosa trova impiego farmaceutico diffuso nei suoi derivati merceologici: cotone idrofilo, garze, ovatta per assorbenti, tamponi chirurgici. Acido alginico: si estrae dal tallo delle alghe brune. Trasformato in alginati di calcio e di sodio, i quali trovano impiego come emulsionanti, eccipienti e agglomeranti. Agar-agar: si ottiene dal tallo delle alghe rosse. Usato come eccipiente ed emulsionante nonché come componente base di terreni di colture cellulari. Essudati gommosi: composti da polisaccaridi incenso, gomma arabica, gomma di astragalo. Le gomme trovano impiego quali eccipienti, emulsionanti e lassativi. Sono usati per la confezione di pillole. L ’ incenso è uno stimolante balsamico ed è usato anche in profumeria Mucillagini: composti da polisaccaridi, con impieghi antidiarroici (ceratonia), lassativi di massa (psillio), lenitivi (lino), decongestionanti (malva) e anticatarrali (altea) Piastra per coltura cellulare agar incenso Estratto di un’alga bruna Estratto di psillio PLASTIDI Sono organuli caratteristici della cellula vegetale coinvolti nei processi di fotosintesi e accumulo di sostanze di riserva (energetiche). Nelle cellule giovani, poco differenziate, sono presenti proplastidi (da cui si originano i plastidi altamente differenziati). Esistono diversi tipi di plastidi, indicati con nomi diverse in base alle differenti funzioni che assolvono: La classificazione dei plastidi come organuli esclusivi della cellula vegetale è complessa Approfondimenti sul cloroplasto: 1 - Il cloroplasto è delimitato da un involucro, a doppia membrana lipoproteica, che racchiude una matrice amorfa o stroma , fortemente idrofila e ricca di proteine enzimatiche. Lo stroma è attraversato da un sistema di lamelle, dette tilacoidi, che vengono distinte in: - tilacoidi intergrana (o lamelle stromatiche) - tilacoidi dei grana (o grana) Le cavità dei tilacoidi intergrana e dei tilacoidi dei grana sono tutte comunicanti. 2 - Sulle membrane dei tilacoidi sono ancorati le clorofille e gli altri pigmenti che sono raggruppati in unità fotosintetiche (fotosistemi PS1 e PS2). Qui si svolge la fase luminosa della fotosintesi, che corrisponde alla cattura e conversione dell'energia luminosa in energia chimica. Nello stroma, invece, avviene la fase oscura, che coincide con la vera e propria organicazione della CO2. Presenza nello stroma di ribosomi e DNA di tipo procariote (organuli semiautonomi) da Raven et. al., 2002 - Biologia delle piante - Zanichelli ed. Cloroplasti all’interno di cellule vegetali osservate al microscopio ottico Leucoplasto al Microscopio elettronico a Trasmissione L'amido è un polimero di αglucosio; caratteristico prodotto di riserva delle cellule vegetali, accumulato nelle cellule dei tessuti di organi di riserva (es. radice) all’interno di amiloplasti; si può temporaneamente formare anche all’interno dei cloroplasti (amido primario) ma poi depolimerizzato e traslocato stabilmente nelle strutture di riserva (amido secondario) Cromoplasti al Microscopio Elettronico a Trasmissione ed Ottico IL VACUOLO Si presenta come una grossa vescicola delimitata da una singola membrana semipermeabile di natura lipoproteica, detta tonoplasto. Nelle cellule vegetali adulte di norma si rinviene un unico grande vacuolo centrale, che può occupare anche più del 90% del volume cellulare. Nelle cellule meristematiche (cellule capaci di moltiplicarsi ed originare tutti i tessuti dell’organo di cui fanno anche parte), invece, si trovano piccoli e numerosi vacuoli che, poi, nelle cellule differenziate adulte confluiranno nel vacuolo unico. Funzioni metaboliche: accumulo, manipolazione, relazione Funzioni meccaniche: turgore cellulare, compressione del citoplasma contro la parete IMPORTANZA FARMACEUTICA DEL VACUOLO Nel vacuolo vengono accumulate numerose sostanze (metaboliti secondari o principi attivi) che hanno importanza come molecole di relazione (ecologia) e come composti fisiologicamente attivi. Queste sostanze sono note come alcaloidi, glicosidi, terpenoidi, composti aromatici. ES. Alcaloidi, molecole cardioattive, terpeni, ecc.: sostanze molte eterogenee come architettura molecolare. Efedrina Caffeina Chinina Digitossina Sesquiterpeni Morfina Tetraterpeni Glicosidi: composti derivati dall’unione di 2 unità, una di carboidrato (glucone) e l’altra di differente natura (aglucone). -La presenza del carboidrato favorisce la idrofilicità di composti altrimenti lipofili: favorita la loro traslocazione e l’accumulo nel vacuolo. -Hanno generalmente sapore amaro (prodotti amaro-tonici, aperitivi, digestivi, ecc.) -Molti glicosidi hanno attività biologica spiccata (es. g. cardioattivi) -Alcuni glicosidi sono accumulati in vacuoli di cellule adiacenti ad altre che contengono enzimi specifici per l’idrolisi dei glicosidi stessi (compartimentazione selettiva; es. g. cianogenetici, g. solforati) -I glicosidi vengono chimicamente classificati sulla base della natura dell’aglicone. Digitossina Amigdalina (g. cianogenetico) Cumarina (g. saponinico) Eugenolo (terpene) Echinacoside Alliina (g. solforato) (g. fenilpropanoide) Apigenina (flavonoide) Inclusioni vacuolari Granuli di aleurone (inclusi solidi proteici) Cristalli di ossalato di calcio Granuli di aleurone di ricino (Ricinus communis L., Euphorbiaceae) Hanno dimensioni di 20m. In ciascun granulo si possono distinguere due inclusioni: uno di forma esagonale detto cristalloide, l ’ altro di forma sferica detto globoide contenuti in una matrice amorfa di albumina. Il cristalloide contiene delle proteine del tipo delle globuline mentre il globoide contiene fitina sale, di Ca++ e Mg++ dell ’ acido fitico (acido inositolesafosforico)(riserva di fosfato) Ricino: globoide + cristalliode Graminacee: solo globoide Leguminose: granuli omogenei globoide cristalloide Formazione del granulo di ricino 1. Prima precipita il globoide 2. Poi precipitano le globuline (cristalloide) 3. Restano le albumine solubili (fase amorfa) Cristalli di ossalato di calcio • • • • Stiloidi: cristallo prismatico (catafilli di Allium cepa L., Liliaceae Rafidi: fascio di cristalli allungati avvolti in una guaina mucillaginosa (catafilli di Scilla sp. Liliaceae Druse o macle: forma simile a quella della rosa del deserto. Tipiche delle dicotiledoni Sabbia cristallina: a volte i cristalli di ossalato di calcio sono minutissimi e si presentano come sabbia (es. nelle foglie di Atropa belladonna L., ed altre Solanaceae) LA DIVISIONE CELLULARE Constatazioni sulla base di osservazioni della Natura 1. Tutte le cellule, come unità morfo-funzionali alla base della vita, si ACCRESCONO (=aumentano di volume e la superficie di scambio). 2. Esiste un limite di accrescimento oltre il quale leggi fisiche e biochimiche impediscono alla cellula il corretto svolgimento di tutte le funzioni vitali La superficie di scambio (membrana plasmatica) della cellula in accrescimento aumenta in ragione del quadrato, mentre il volume della cellula in accrescimento aumenta in ragione del cubo NECESSITÀ di ripristinare il corretto rapporto fisico per ripristinare i corretti rapporti BIOCHIMICI La cellula si divide per MITOSI IL CICLO CELLULARE: Il ciclo cellulare è una ordinata serie di eventi che determinano la crescita della cellula e la sua divisione in due cellule figlie. Le cellule che non si dividono non presentano un ciclo cellulare. La fase G1 stà per"GAP 1". La fase S stà per"Sintesi". La fase G2 stà per "GAP 2". La fase M stà per"Mitosi", ed avviene quando avviene la divisione nucleare (i cromosomi di dividono) e citoplasmatica (citocinesi) . La mitosi è un processo di divisione cellulare equazionale in cui il numero dei cromosomi della cellula madre si mantiene nelle cellule figlie. Il concetto di divisione cellulare è associato anche al fenomeno della RIPRODUZIONE Quando si riproduce un organismo? La frequenza dell’evento è in funzione della durata della vita (più la vita è breve più frequenti saranno gli eventi riproduttivi). Ciclo ontogenetico: germinazione, crescita vegetativa, fioritura, fruttificazione, senescenza, morte; germinazione, …. Al processo riproduttivo può partecipare l’intero organismo (unicellulare o pluricellulare): olocarpia; o parte di esso (eucarpia). RIPRODUZIONE ASESSUATA (O AGAMICA) Riproduzione senza lo sviluppo di cellule specializzate (gameti) e senza l’intervento di un altro organismo. Gli individui discendenti sono geneticamente identici alle generazioni parentali. Avviene per •Mitosi (organismi eucarioti) •Scissione (procarioti, leviti, diatomee e alghe flagellate) •Gemmazione (lieviti) •Frammentazione (tallofite, alcune cormofite) LA RIPRODUZIONE SESSUALE (O GAMICA) Produzione dei gameti Interfase Cromosomi omologhi Meiosi II Meiosi I Gametofito Sporofito Organismo (2n) meiosi Gameti (n) unione Zigote (2n)