Estudio de las Células Vegetales: Diferenciación, Orgánulos y Procesos Biológicos, Apuntes de Citología e Histología Vegetal y Animal

¡Descarga Estudio de las Células Vegetales: Diferenciación, Orgánulos y Procesos Biológicos y más Apuntes en PDF de Citología e Histología Vegetal y Animal solo en Docsity!

TEMA 2:

LA CÈL·∙LULA

VEGETAL

2.1 – Cèl·∙lules i orgànuls

2.2 – El vacúol

2.3 – El citoesquelet

2.4 – Comunicació cel·∙lular

Cèl·∙lula madura diferenciada: -­‐ Citoplasma mostra el predomini dels orgànuls per portar a terme la funció. L’especialització es pot observar en la morfologia (ex: cèl. especialitzada en fotosíntesi tindrà cloroplasts i no amiloplasts -­‐ Són univalents (cada cèl·∙lula fa una sola funció específica)

• El creixement d’estat meristemàtic al de cèl·∙lula diferenciada és molt intens, de l’ordre de 10 vegades (fins a 100 vegades o més).
• Aquest creixement es produeix en un espai de temps molt curt (d’hores o dies).
• Mentre dura, les cèl·∙lules requereixen molta E i tenen un metabolisme molt actiu, però un cop s’han expandit són cèl·∙lules autòtrofes, fotosintètiques i sèssils, que consumeixen poca E i metabolisme intensitat molt baixa. Tenen la paret cel·∙lular formada per cel·∙lulosa i lignina, substàncies que necessiten poc manteniment.
• Cèl·∙lules meristemàtiques més fàcils per l’estudi i l’observació. Cèl·∙lules diferenciades més difícils de tractar (paret gruixuda i a vegades amb lignina, més grosses, vacúol molt gros al centre) Cèl·∙lula vegetal -­‐ La més representativa à cèl·∙lula del parènquima clorofíl·∙lic (clorènquima) à especialització: fotosíntesis à característiques bastant comunes: vacúol central, al seu voltant: nucli + orgànuls i paret cel·∙lulòsica prima. Però moltes cèl·∙lules à no fotosintètiques, paret modificada, no vacúol central. -­‐ Com es defineix? Unitat d’estructura i de funció, que creix, es reprodueix i respon als estímuls. Actua com un tot i dóna respostes unitàries. Ho fa, en part, gràcies als seus orgànuls, el qual cadascun té la seva pròpia funció. Segons la funció uns orgànuls es desenvoluparan més que d’altres. Membrana plasmàtica Mitocondris R endoplasmàtic Ribosomes Aparell de Golgi Microcossos Plastidis (cloroplasts) à segons la funció poden ser cloroplasts (fotosíntesi), amiloplasts (reserva) Vacúol Citoesquelet Paret cel·∙lular à els seus canvis determinen propietats mecàniques (no orgànul) Orgànuls més importants pel desenvolupament:

1. ORGÀNULS:

Membrana plasmàtica (PM) -­‐ No té colesterol (diferència amb cèl·∙lula animal) -­‐ Difícil d’aïllar i observar al microscopi degut a la paret -­‐ Tècniques de marcatge (ús de gens reporter i proteïnes fluorescents faciliten l’observació) à es vol demostrar que una proteïna determinada es troba a la PMà nous avenços Ribosomes i poliribosomes Cèl·∙lules en creixement (estat meristemàtic)à síntesi molt activa à abundants ribosomes lliures o units al RE. Cèl·∙lules ja diferenciades à ribosomes i RE en regressió Aparell de Golgi Dictiosomes: sacs o cisternes de l’aparell amb organització cis/trans i una xarxa de vesícules associada al cantó trans. Hi ha un tràfic de vesícules molt intens entre el RE, els dictiosomes i la PM. -­‐ Cèl·∙lula vegetal à molts dictiosomes a la perifèria à síntesi de la PC -­‐ Tècniques per l’observació i reconstrucció dels dictiosomes: gens marcadors (GFP), TEM (tomografia) i microscòpia confocal amb reconstrucció digital Microcossos (microbodies) Són vesícules envoltades de membrana amb matriu granular densa. Sovint contenen un cos cristal·∙lí -­‐ Difícils de distingir d’un vacúol però s’identifiquen per reaccions histoquímiques que detecten: act. Peroxidasa i catalasa. -­‐ Es troben en totes les cèl. eucariotes però més abundants en vegetals. -­‐ 2 tipus:

• Peroxisomes: en animals i plantes, contenen enzims oxidatius: o Peroxidases à produeixen H2O o Catalases à descomponen H2O2ç *També poden contenir enzims que catalitzen la beta oxidació de lípids *Abundants a cèl. dels cotiledons
• Glioxisomes: només en plantes, contenen enzims oxidatius i enzims glioxilats à metabolitzen les reserves lipídiques de la llavor durant la germinació i a través del cicle del glioxilat à paper en la fotorespiració recuperant una part del C amb producció de peròxids. Abundants en les cèl·∙lules en creixement i escassos en cèl·∙lules madures

-­‐ Són la classe de plastidis més abundant. -­‐ Color verd i forma lenticular, generalment grossos i sovint igual o més grossos que el nucli. Representen del 20 al 50% del volum del citoplasma -­‐ El seu nombre en la cèl·∙lula varia segons la funció que faci aquesta. En el mesòfil podem trobar de 20 a 50 cloroplasts per cèl·∙lula. Depèn de l’sp. -­‐ Organitzats amb grana: conjunt de petits sàculs circulars de color verd anomenats cada un tilacoide units entre sí amb lamel·∙les. L’espai que queda és l’estroma. -­‐ Cèl·∙lules del mesòfil à cloroplasts ben estructurats, en canvi cèl·∙lules on la fotosíntesi no és la funció principal à lamel·∙les més desorganitzades. -­‐ Té dues membranes (interna i externa) on al mig hi trobem l’espai intermembranós. L’espai intern és l’estroma que conté una matriu proteica, filaments de DNA circular i ribosomes. -­‐ La membrana interna es replega formant les lamel·∙les i la grana. En aquesta membrana hi ha els pigments fotosintètics i la cadena de transport electrònic. -­‐ En l’estroma hi trobem els enzims per la síntesi de glucosa (Cicle Calvin) i el midó. Parènquima fotosintètic o clorènquima (amb abundants cloroplasts a cada cèl·∙lula El conjunt de tots els plastidis d’una cèl·∙lula = PLASTIDOMA

Amiloplasts -­‐ Plastidis que actuen de dipòsit de midó -­‐ Es troben en òrgans de reserva (cotiledons, còrtex de l’arrel, tubercles i fruits) -­‐ Són grossos i arrodonits amb protuberàncies (acumulació midó) -­‐ Internament à poques lamel·∙les entre les quals s’hi observen els grans de midó -­‐ Midó:

• A l’interior de les lamel·∙les o a l’estroma a partir d’un nucli de formació (pot haver-­‐n’hi més d’un)
• Creix la quantitat à deforma la membrana à trencament à gra lliure a la cèl·∙lula
• Obtenció à conreus à cereals, tubercles (ex. Patata), llavors lleguminoses...
• Morfologia del gra diferent segons sp.
• Polisacàrid: o Amilosa: polímer lineal amb unions gluc 1-­‐ 4 o Amilopectina: polímer ramificat, -­‐ soluble amb unions 1-­‐4, 1-­‐ 6 o Es diposita en capes concèntriques al voltant d’un punt central o hílum amb disposició semicristal·∙lina que presenta birefringència en forma d’una creu de Malta. o Propietats dif. segons proporció dels components. Com + amilopectina à -­‐ solubilitat à + temps de cocció de farines Ø Aplicacions pràctiques: Gra dur (+ amilopectina) = confecció espaguetis Gra tou (-­‐ amilopectina) = pastisseria Midó Lamel·∙la

Etioplasts Etiolament: germinació de les plantes en la foscor. -­‐ Brot allargat, arrel curta, cotiledons no es despleguen i no es sintetitza clorofil·∙la. Això indica que la llum controla el desenvolupament à fotomorfogènesi -­‐ En òrgans aeris à proplastidis evolucionen à plastidi etioplast: són força grossos, cos central cristal·∙lí anomenat cos prolamel·∙lar (a la perifèria té sacs tilacoides i lamel·∙les desorganitzades): conté un pigment à protoclorofil·∙lida i una certa quantitat de carotè. Conversió d’etioplasts en cloroplasts i viceversa: Quan les plantes etiolades es posen a la llum à cos prolamel·∙lar es desagrega, s’organitzen lamel·∙les i sacs tilacoides i la protoclorofil·∙lida à transformació à clorofil·∙la (procés reversible) -­‐ Estudi dels etioplasts à clau per entendre relacions entre els diferents plastidis. La imatge mostra la transformació de proplastidis en etioplasts madurs en el coleòptil de civada germinat en la foscor Etioplast Coleòptil: beina que es forma a l’embrió i protegeix el meristema apical. Durant germinació aquest creix amb les fulles del brot dins, creix per la base, per tant, la part apical és la madura. El creixement es para i les fulles trenquen la beina i surten a l’exterior. Proplastidi Plastidis à gran plasticitat Diferenciació: -­‐ Òrgans aeris (fulles, tiges): proplastidis à cloroplasts o cromoplasts (a vegades) -­‐ Arrel i teixits interns brot: proplastidis à amiloplasts o leucoplasts o cromoplasts (a vegades)

-­‐ Maduració de flors i fruits: cloroplasts à cromoplasts (epidermis) o amiloplasts (parènquima) Reconversió: -­‐ Òrgans subterranis: llum provoca -­‐-­‐> amiloplasts i leucoplasts à cloroplasts -­‐ Transformacions transitòries: ex. en situacions d’estrès Desdiferenciació: Plastidis diferenciats (cloroplasts, amiloplasts, etioplasts...) es poden desdiferenciar a l’estat de proplastidis. Ex: proplastidis del zigot provenen del leucoplasts o cloroplasts Relacions evolutives -­‐ Forma més primitiva à cloroplast (única forma present en algues i molses) -­‐ Aparició amiloplasts à lligat a: o Colonització medi terrestre o Separació part fotosintètica (brot) dels teixits que acumulen reserves (arrel) -­‐ Aparició cromoplasts à origen polifilètic à evolució a partir de cloroplasts senescents o amiloplasts

Biogènesi del vacúol: -­‐ Cèl·∙lules meristemàtiques à petits vacúols (pro-­‐vacúols) es formen per dilatacions del RE. -­‐ Procés de diferenciació à dilatació i fusió dels pro-­‐vacúols à vacúol central à desplaçament nucli i orgànuls -­‐ En una mateixa cèl·∙lula poden coexistir vacúols petits i grans. Conjunt de vacúols: VACUOMA -­‐ El vacúol central ja format també podrà produir canvis de fragmentació en vacúols més petits en algun moment. Creixement cel·∙lular del vacúol: S’incrementa la superfície d’intercanvi sense augmentar el citoplasma. Això facilita processos bàsics per a un organisme sèssil i fotosintètic: intercanvi d’ions i nutrients amb el medi, la difusió de gasos i la captació de llum per la fotosíntesis (cloroplasts a la perifèria) És una manera efectiva i barata de créixer

1. SUC VACUOLAR: És el contingut del vacúol. És una solució aquosa amb osmolaritat elevada i un pH àcid (citoplasma té pH bàsic). Conté en dissolució: -­‐ ions -­‐ Alguns nutrients: sucres, àcids orgànics, -­‐ Productes residuals: pigments, alcaloides... -­‐ Enzims hidrolítics (proporcions baixes) 2. TONOPLAST: És la membrana que separa el contingut del vacúol (suc vacuolar) del citoplasma. -­‐ És sensible a l’osmosi i més resistent a la manipulació que la MP -­‐ Aïlla al vacúol per procediments mecànics o químics i fa que sigui íntegra i respongui a la osmosis. -­‐ És una membrana semipermeable i el transport pot ser: - Passiu (no consumeix ATP, a favor de gradient) o Difusió simple o Canals iònics o Transportadors específics (transport facilitat) - Actiu (consum ATP, pot ser contra o a favor de gradient) o Bomba de protons à genera potencial osmòtic i contribueix a estabilitzar el pH del citoplasma

Difusió i osmosi: La difusió és el procés pel qual les molècules es barregen degut a l’energia cinètica del moviment. L’osmosi és el moviment de les molècules d’aigua a través d’una membrana semipermeable. Aquesta aigua es mou en funció del gradient de potencial hídric, de més a menys. Potencial hídric (Ψ) = potencial de pressió (ΨP) + potencial dels soluts (ΨS) P.H augm à P.P augm Els dos factors (P.P i P.S) interaccionen: Pressions positives i negatives modifiquen l’efecte dels soluts -­‐ + - + P.H dism à [] augm (quan hi addicionen soluts el P.H passa a valors negatius)

Pressió de turgència: En els protoplasts s’elimina la paret per un procediment mecànic (micromanipulació) o enzimàtic (digestió amb pectinasa i cel·∙lulasa). Els protoplasts només sobreviuen a un medi isotònic. Si la [] disminueix el protoplast s’infla fins a rebentar perquè no té la resistència de la paret. La pressió de turgència és l’encarregada de donar forma a les cèl·∙lules à esquelet hidrostàtic. Esquelet hidrostàtic: Els òrgans joves per mantenir-­‐se erectes necessiten turgència, sense aigua es tornen flàccids. Les plantes estan sotmeses a una pressió hidrostàtica alta (entre 5 i 10 atm) i es mantenen turgents. Tolerància osmòtica: Les plantes tenen un ampli marge de tolerància enfront els canvis d’osmolaritat del medi -­‐ Medi hipotònic à citoplasma capaç de resistir sense trencar-­‐s-­‐e -­‐ Medi hipertònic à la cèl·∙lula per aigua es plasmolitza (citoplasma es separa de la paret però es torna a recuperar) Dèficit hídric à vacúol perd aigua à dèficit desapareix à es recupera ràpidament à capacitat fonamental per la supervivència a l’atmosfera. TROPISMES, NASCTISMES Tropismes: Són moviments causats pel creixement direccional de les plantes en relació a un estímul extern com la llum (fototropisme), gravetat (gravitropisme), pressió (tigmotropisme)... Nasctismes: Són moviments de les plantes en resposta a estímuls ambientals però direccionalment independents. Ex: tancament de les fulles de plantes carnívores, moviment de la inflorescència del gira-­‐sol... Tigmotropisme Plantes responen al tacte (pressió) plegant-­‐se. El mecanisme implica moviment pulvinolar. La pressió exercida genera senyal elèctric que es transmet cèl-­‐cèl. Quan el senyal arriba a les cèl·∙lules motores (col·∙lènquima especialitzat) provoca una ràpida sortida de potassi de la cèl·∙lula i una pèrdua d’aigua (flaccidesa). El plegament es produeix per la curvatura del pulvinol, les cèl·∙lules que reben el senyal es tornen flàccides i s’arruguen mentre que les que es troben en direcció oposada retenen la turgència. flaccidesa Turgència

4. FUNCIÓ DE LISOSOMA:

El vacúol conté enzims hidrolítics (hidrolases àcides) i com que té un pH àcid es considera una forma de lisosoma. Cèl·∙lules meristemàtiques à hidrolases àcides es sintetitzen a l’aparell Golgi formant un compartiment prevacuolar que es fusiona amb alguns petits vacúols que adquireixen capacitat lítica com els lisosomes. No té funció digestiva, està relacionat amb l’autofàgia. A mesura que la cèl·∙lula creix el contingut lític es va diluint i en la cèl·∙lula madura la funció lítica és nul·∙la. Autofàgia: -­‐ Procés en el qual la cèl·∙lula digereix el seu propi citoplasma. És important perquè elimina orgànuls vells i renova el citoplasma, sobretot durant el procés de diferenciació i en la senescència per degradar proteïnes i recuperar N i alguns cofactors abans de la mort de les fulles. -­‐ Lisosomes es fusionen amb vesícules del RE per formar autofagosomes à engloben orgànuls citoplasmàtics à fusió amb el vacúol hidrolític per lisar el contingut. En alguns cotiledons à hidròlisis de reserves a l’interior dels vacúols en la germinació -­‐ Cèl·∙lules meristemàtiques à vesícules autofàgiques abundants -­‐ Paper en la mort cel·∙lular programada

5. FUNCIÓ D’EMMAGATZEMATGE DINÀMIC: El vacúol és un òrgan d’emmagatzematge temporal o permanent. -­‐ Emmagatzematge temporal o dinàmic: permet acumular productes transitòriament en funció d’entrades i sortides. Generalment les reserves s’acumulen al final de la primavera i s’alliberen en la brotada. Ex: proteïnes als cotiledons o endosperma (s’alliberen per la germinació) Sucres solubles en alguns teixits que s’alliberaran segons les necessitats de la planta - Plantes CAM: plantes que durant la nit fixen CO2 en forma d’àcid màlic que acumulen al vacúol i l’hidrolitzen de dia per alliberar aquest CO2. Aquest metabolisme permet fer la fotosíntesis amb els estomes tancats i això els permet viure en ambients àrids. El CO2 reacciona amb el PEP (àcid fosfoenolpirúvic) per formar l’àcid màlic que s’acumula. La descomposició d’aquest àcid allibera PEP i CO que es difon pels teixits i es fa la fotosíntesi. -­‐ Emmagatzematge estàtic o permanent: acumulació unidireccional de productes al vacúol. S’acumulen productes residuals tòxics (alcaloides) per al citoplasma i són transportats a través del tonoplast quedant atrapats a l’interior del vacúol, deixant de ser tòxics per la planta. (En animals = sistema excretor)

2.3 – EL CITOESQUELET

1. COMPOSICIÓ:

-­‐ Composició vegetals gairebé = composició animals -­‐ Filaments proteics à funció estructural -­‐ Proteïnes associades à uneixen els filaments entre ells i determinen la funció motora. Filaments : 3 tipus: (estructurals) -­‐ Microtúbuls (mts) -­‐ Microfilaments (mfs) -­‐ Filaments intermedis (fis) Els mts i els mfs són estructures filamentoses formades per assemblatges macromoleculars de proteïnes globulars. Els fis són proteïnes fibroses (molt poc desenvolupats a les cèl·∙lules vegetals) Proteïnes associades : 2 tipus: (funcionals) -­‐ Proteïnes d’unió a l’actina (ABPs) -­‐ Proteïnes associades als microtúbuls (MAPs) Uneixen els filaments entre ells i amb altres orgànuls de la cèl·∙lula com la membrana plasmàtica o el reticle, la majoria tenen activitat funcional i són els motors del citoesquelet. Algunes proteïnes associades s’uneixen tant als mts com als mfs. Tot i ser sèssils, les cèl·∙lules vegetals tenen proteïnes motores equivalents a la miosina (associada als mfs d’actina-­‐F, ABPs) i la dineïna associada als mts, MAPs) MICROTÚBULS: Són cilindres buits formats per l’associació d’unitats de tubulina. Cada microtúbul conté centenars de milions d’unitats de tubulina disposades en 13 columnes que s’anomenen protofilaments. La unitat repetitiva és un hetero-­‐dimer format per la unió de dues cadenes d’α-­‐ tubulina i β-­‐tubulina, respectivament. La tubulina és una proteïna asimètrica que polimeritza en estructures polars. Una característica dels filaments és que estan polaritzats amb dos extrems anomenats plus , o positiu, i minus , o negatiu. L’estructura és inestable, els heterodímers de tubulina s’agreguen (polimeritzen) en un extrem i es desagreguen (s’hidrolitzen) per l’altra. La longitud del mt resulta del balanç agregació/desagregació. Les proteïnes associades , la dineïna o la kinesina, fan de vincles d'unió i de motors per al desplaçament de vesícules al llarg del microtúbuls. El complex katanina , és un grup de proteïnes associades importants per la desagregació.

La tubulina vegetal té algunes petites diferències:

1. Major resistència a la despolimerització per fred, la qual cosa s'interpreta com una adaptació a les temperatures extremes que suporten les plantes.
2. Diferent afinitat a determinats alcaloides, fet que ha permès obtenir drogues d'origen vegetal amb efectes en animals (drogues anticancerígenes) i drogues que actuen sobre els MT vegetals però amb baixa toxicitat pels animals (alguns herbicides). MICROFILAMENTS D’ACTINA: -­‐ Poc abundants i difícils d'observar, però en algunes cèl·∙lules són abundants. -­‐ Els filaments d’actina (actina fibrosa o F-­‐actina) contenen dues cadenes filamentoses que s’entrecreuen de manera helicoïdal formades per la polimerització de subunitats globulars (actina globular o G-­‐actina). També és una molècula polaritzada, amb un extrem plus i un minus. Al citoplasma, l’actina fibrosa, juntament amb les proteïnes motores associades (miosina, tropomiosina...), és responsable del desplaçament dels orgànuls al citoplasma (moviments de ciclosi). -­‐ A les cèl·∙lules vegetals l’actina i la proteïna associada a l’actina són variants (isoformes) de l’actina i la miosina present a les cèl·∙lules musculars. -­‐ La distribució de l’esquelet d’actina s’estudia per immunolocalització i microscòpia confocal. Manera més habitual à tractar amb la citocalasina o fal·∙loïdina, dos metabòlits d'origen fúngic amb especificitat per l'actina, que prèviament es marquen amb una substància fluorescent. També es poden localitzar transformant les cèl·∙lules per tal que expressin proteïnes de fusió de GFP amb l’actina com mostra la imatge.