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