La Célula Vegetal

La Célula Vegetal
• Unidad básica
• Posee características propias diferentes a
las células animales
• A medida que las células maduran, se
diferencian y se especializan
Célula Vegetal
Términos para distinguir
•
•
•
•
Crecimiento
Desarrollo
Diferenciación
Meristema
Qué es Crecimiento?
• Expansión celular
• División celular
• i.e., Células de mayor tamaño y mayor
cantidad de células
Qué es Desarrollo?
• Diferenciación celular
• Transición desde el crecimiento Vegetativo
a crecimiento Reproductivo
Qué es Diferenciación?
• Se produce un nuevo tipo de
célula.
• Habitualmente asociado a los
meristemas.
Funciones de las células
vegetales especializadas
„
„
„
„
„
„
„
Fabricación de Asimilados
Almacenamiento
Asimilación y transporte de agua
Soporte
Prevención de pérdida de agua
Reproducción de nuevas células
Control de la ventilación de las hojas
PARED CELULAR: Porqué estudiar la pared celular?
La pared celular (PC) da
protección y permite a las
plantas utilizar la presión de
turgencia para elevarse y
vencer la gravedad.
• Las plantas fabrican el 99% de la biomasa
de la tierra.
• El 10% de esa biomasa se encuentra en las
paredes de las células.
• Fuente Importante de materiales: madera,
papel, fibras, etc …
Observando el interior de la pared celular
Ejemplo de célula: pelo
radical
sección
transversal
cell wall
membrane
root
0.5cm
interior
root hairs
30 µm
Sección de la
superficie
Imagen de Microscopio
Electrónico (TEM,
técnica sombreado)
Microfibrillas de
celulosa (CMF) en
una matriz de
polisacáridos
2-4 nm
CMF
RG-I,
ramnogalacturanano
I-pectina
Las texturas de las paredes celulares son
regulares
La pared celular helicoidal
En el “Mundo real” se encuentran analogías
La fibras hechas de
laminados son resistentes y
flexibles
El armado del
ovillo helicoidal
empaqueta el hilo
en forma eficiente
y resistente.
Cómo se sintetizan las microfibrillas de celulosa (CMF)?
Sintasas de CMF en “rosetas”
La enzima
que sintetiza
celulosa es
la Celulosa
Sintasa (CS)
El mecanismo de síntesis de CMF
Certeza:
La sintasa de CMF
recluta UDP-glucose
desde adentro de la
célula e hilvana y hace
girar a la CMF hacia
afuera de la célula.
Brown et al. (1997)
Arioli et al. (1999)
Probable:
La sintasa de CMF es propulsada
por la fuerza de polimerización y
se mueve dentro de la MP.
Dos Modelos …..
…..para lo que se ha llamado “paradigma microtúbulo/microfibrilla”
(Giddins&Staehelin [1991])
La sintasa de CMF es “guiada” por los microtúbulos corticales
MAPs, proteínas de adhesión de mirotúbulo
Sin embargo …
• La hipótesis se soporta por el co-alineamiento de CMFs y los
MTs en células que están en expansión, en los sitios donde se
ejercen las fuerzas.
• En muchas células que no están en expansión no se ve coalineamiento entre CMFs y MTs (Emons [1983,->])
• Mutantes de Arabidopsis muestran desarrollo normal de pared
celular aun cuando la organización de los MTs corticales está
rota (Wasteneys et al.)
• Entonces surge la pregunta de como los MTs corticales están
re-organizados para dirigir el alineamiento de CMFs?
Modelo Geométrico: Qué es lo que se sabe?
Las CMFs son depositadas por las
Celulosa Sintasas (CS) que se
mueven en la MP.
CMF
existing wall
La deposición de CMFs ocurre
en el espacio limitado por la
MP y la pared celular que ya
existe.
cell interior
synthase
membrane
• Las CMFs aparecen
estrechamente empaquetadas y
espaciadas por ~20nm
• Las CMFs tienen un largo L de
>> 1 µm
Producción e Inserción de Celulosa Sintasas en la MP
Pared
celular
membrana
vesicle
exocitosis
sintasa
Aparato de Golgi
Existen los dominios de Insercion?
Dinámica de GFP-Celulosa Sintasa (CS) dirigida al Golgi en un pelo radical
MODELO GEOMETRICO
•
El modelo geométrico se basa en la aplicación
de ecuaciones matemáticas que consideran las
siguientes variables:
1)
Tiempo de síntesis de celulosa sintasas (CS), aparición
de las CS y formación de rosetas para la producción de
CMFs
Vida media de las CS y rosetas, y velocidad de recambio
Movimiento de las CS en la MP en función de los
dominios de inserción de las CS en la MP
2)
3)
Resultados I: La pared Helicoidal
Depende de la
sincronización del tamaño
y la velocidad de los
dominios de inserción en
la MP, y de la velocidad
de producción de sintasas
y su vida media.
Resultados II: pared polilaminada cruzada
Se trata esencialmente de una pared
helicoidal en el caso de que la
producción de CS es inicialmente muy
rápida lo cual resulta en una alternancia
entre capas de celulosa con un bajo y un
alto ángulo de la microfibrilla.
Resultados III: la pared en hélice
Esto resulta cuando la vida media de las CSs es mucho mayor que
el tiempo que le toma al dominio de inserción cruzar una distancia
igual a su longitud. Es la pared más común encontrada en las
maderas.
Results IV: la pared axial
Es esencialmente una pared en hélice con
un elevado ángulo de la microfibrilla. Se
especula que esto ocurre cuando el radio
del lumen de la célula es pequeño y
entonces el número máximo de CMFs que
puede ser acomodado es pequeño.
Conclusiones
• La teoría geométrica provee un marco conceptual unificado
para entender la arquitectura de la pared celular.
• La teoría geométrica puede describir la formación de todos
los tipos de paredes celulares que se conocen.
• Es un modelo cuantitativo que eventualmente puede
permitir una verificacion experimental.
• Es un ejemplo que surge de una interacción de varios
campos y de la utilización de herramientas biológicas y
análisis teórico/computacional.
ESTRUCTURA QUIMICA DE LA
PARED CELULAR
•
•
-
Lamina media compuesta por pectinas
Pared Primaria compuesta por:
Celulosas
Sustancias Pécticas
Proteinas
Oligosacarinas
Si son células epidermicas, también tienen cutinas
y ceras
- Hemicelulosas
Secondary
walls layers
Macrofibrilla
Celulosa: Hasta
500.000 moléculas
de celulosa unidas
por hemicelulosa.
Más fuerte que el
concreto reforzado.
HEMICELULOSAS
• Son un conjunto de polisacáridos que tienen
como función unir a las microfibrillas de
celulosa entre si, así como a las
macrofibrillas y las laminillas de celulosa.
• Constituyen una matriz que integra a la
pared celular.
HEMICELULOSAS
Las hemicelulosas más comunes son:
• Xilanos: formadas por xilosas
• Arabinoxilanos: formadas por arabinosas y xilosas
• Arabinogalactanos: formadas por arabinosas y
galactanos
• Glucomananos: formados por glucosas y manosas
• Xiloglucanos: formadas por xilosas y glucosas
• Galactoglucomananos
PECTINAS
• Son polisacáridos presentes en todas las
láminas medias y paredes primarias de
todas las plantas vasculares. Material
Cementante.
Están compuestas por:
Arabinogalactanos y Ramnogalacturonanos.
Hay pectinas neutras y ácidas
OLIGOSACARINAS
• Son pequeñas moléculas que se liberan de la pared
celular mediante enzimas específicas e inducidas
por la acción hormonal.
• Funcionan como mensajeros químicos de las
hormonas vegetales y son importantes en el
sistema de regulación de las plantas.
- Activación de los mecanismos de defensa;
crecimiento
- Diferenciación; Morfogénesis
- Reproducción
PROTEINAS
• Las proteinas de la pared primaria son ricas
en aminoacidos como hidroxiprolina,
alanina, serina, treonina
• Expansinas, Extensinas, HPRG
(glicoproteinas ricas en hidroxiprolina), y
otras
FUNCIONES DE LAS PROTEINAS EN LA
PARED CELULAR
• Proteinas estructurales de la pared celular
• Proteinas enzimáticas: Glucanasas, pectinametilesterasa, poligalacturonasa.
Remodelado de la pared celular.
• Síntesis, transferencia e hidrólisis de
macromoléculas
• Modificación de metabolitos extracelulares
LIGNINA
• Componentes típicos de la pared celular
secundaria
• Son compuestos aromáticos complejos
• Compuestas por moléculas amorfas de gran
tamaño, derivadas del p-hidroxi-fenilpropano
• La molécula básica de lignina deriva de tres
alcoholes: p-coumaril, coniferil y sinapil
ESTRUCTURA DE LA LIGNINA
CUTICULAS y CERAS
maiz
DETALLE DE PARED CELULAR EN EPIDERMIS
Esteres de
alcoholes
superiores, ac.
grasos,
hidrocarburos.
Ac. Cutinico
Ac. Felonico
Resultados – Capítulo III
Ejemplo de Investigación con Celulosa: Biol Cel y Mol
- 36 cadenas β-1,4-glucosa
- Síntesis: membrana plásmática
-Proteínas celulosa sintasa (CESA)
-Complejos terminales de rosetas
CESA
Glicosiltransferasas (familia de genes)
8 dominios transmembrana
Motivo QxxRW – catálisis
Motivos `U´ - especificidad a sustrato
En plantas superiores: Región específica de clase
(CSR) entre motivos `U´.
En Arabidopsis thaliana: 10 genes CESA
Resultados – Capítulo III
Pared primaria
- CESA1, CESA3 y CESA6
- Mutantes: reducción en la longitud
celular, expansión radial
Pared secundaria
- CESA4, CESA7 y CESA8
- Colapso de vasos xilemáticos
irx2-1: mutante (“irregular xylem”) en endoglucanasa asociada a sintesis de
celulosa en pared 2daria, xe, vasos xilemáticos
prc1-1 y prc1-8, mutantes en CESA6; rsw1-10, mutante en CESA1
Resultados – Capítulo III
Efecto del óxido nítrico (NO) sobre la morfología y contenido de
celulosa en tomate
SNP (nitroprusiato de Na), dador de NO
Resultados – Capítulo III
Efecto del NO sobre la morfología de vasos xilemáticos
9SNP 200 µM produce
expansión radial, no se
detecta colapso de xilema.
Inhibición de la síntesis de
celulosa en la pared
primaria
CPTIO, secuestrante de
NO
Resultados – Capítulo III
El Oxido Nitrico (NO) afecta la incorporación de 14C-glucosa a celulosa
Resultados – Capítulo III
Oxido Nitrico (NO) e incorporación de 14C-glucosa
a
celulosa en el tiempo
9 Mayores diferencias al día 1 de tratamiento. No se detectan diferencias al 2do y
3er día de tratamiento.
9 Correlación con vida media del dador (t1/2= 12 hs). Respuesta reversible
Resultados – Capítulo III
Efecto del secuestro de NO sobre la incorporación
de 14C-glucosa a celulosa
CPTIO,
secuestrante
de NO
9 El efecto del SNP sobre la incorporación de 14C-glucosa a celulosa es
una respuesta específica de la molécula de NO
Resultados – Capítulo III
Oxido Nitrico (NO) y expresión de genes CESA
- Oomen y col (2004) Cuatro CESA de papa (Solanum tuberosum)
StCESA1, StCESA2, StCESA3 y StCESA4
Involucrados en la síntesis de celulosa en pared primaria
- Búsqueda de secuencias homólogas en tomate: Sol Genomic Network
Identificación de tres cDNA en tomate
SlCESA1, SlCESA2 y SlCESA3
Alineamiento de secuencias CSR
de CESA de tomate y papa
Resultados – Capítulo III
Alineamiento de secuencias CESA de tomate y papa
9 SlCESA1, SlCESA2 y
SlCESA3 serían genes
ortólogos de StCESA1,
StCESA2 y StCESA3
respectivamente.
Resultados – Capítulo III
Efecto del NO sobre la expresión de genes CESA