Tema 2. Pared celular (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Fisiologia Vegetal
Año del apunte 2017
Páginas 11
Fecha de subida 29/05/2017
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TEMA 2. Crecimiento por aumento del volumen celular I. La pared celular 14/03/2017 Como recordatorio del tema anterior, tenemos dos células hijas más pequeñas que la célula madre meristemática de la que proceden, por lo que es necesario que ambas crezcan atendiendo a los criterios expuestos en el primer tema: acumulación de biomasa irreversible que conlleva un crecimiento en la célula. En este tema se tratarán los principales mecanismos de biosíntesis que aumentan el tamaño celular incidiendo en la reorganización de la pared celular.
La pared celular es un órgano externo de una enorme resistencia mecánica que rodea al protoplasto. La presión de turgor del protoplasto, por muy hinchado que esté, siempre será menor que la resistencia mecánica de la pared celular. Sin embargo, sabemos que las células vegetales crecen, así que han desarrollado mecanismos para tratar de sobreponerse al límite impuesto por la pared celular.
En esta imagen se muestran tres células parenquimatosas que están unidas dejando un espacio relleno de un material de tipo péctico (ácido poligalacturónico) y se observa que las paredes celulares son muy gruesas, prácticamente transparentes al paso de electrones (lo cual quiere decir que no hay lípidos, y el nivel proteico es lo suficientemente bajo como para que no haya contraste al microscopio electrónico).
La idea de esta imagen es observar la composición y el grosor de una típica pared celular de una célula parenquimatosa.
En esta imagen se puede apreciar una célula colenquimatosa (célula parenquimática más diferenciada) cuya pared celular está aún más engrosada que la anterior.
Además se pueden diferenciar tres capas de pared: S1, S2 y S3.
Cada una de ellas responde de forma diferente al flujo de electrones por lo que se puede deducir que difieren en composición.
Entre los polímeros pécticos y las pocas proteínas que las componen encontramos un nuevo polímero, la lignina.
La lignina es un polímero de ácidos fenólicos que ofrece una resistencia mecánica muy grande y es impermeable tanto a agua como a gases (por eso la célula muere y queda exclusivamente el “fantasma” de su protoplasto envuelto por la pared lignificada).
* La textura arenosa de la pera se debe a las esclereidas, que son células colenquimatosas de paredes celulares lignificadas que se meten entre las células parenquimáticas para conservar la forma del fruto.
En esta otra imagen se representan las tres capas que conforman la pared celular de una célula colenquimatosa.
De fuera a dentro observamos lo siguiente: S1, S2, S3 y citoplasma. Estas son las barreras de resistencia mecánica que la célula tendrá que vencer para aumentar de tamaño.
ÚNICA FORMA DE VENCER LA RESITENCIA MECÁNICA: Sabemos que el citoplasma celular tiene una cantidad de solutos osmorreguladores determinada, que proporcionan una presión osmótica interna que puede ser igual, menor o mayor que la externa.
Suponemos que el medio externo es el suelo, donde es lógico encontrar agua con solutos disueltos que confieran una presión osmótica constante. Si la célula en contacto con el suelo es meristemática, con un metabolismo muy activo que soporta la división celular, se estarán sintetizando constantemente proteínas hidrosolubles en el citoplasma que van aumentando progresivamente la presión osmótica interna en relación con la externa, que permanece invariable.
Llega un punto en el que la presión osmótica interna sobrepasa a la externa y para igualar concentraciones (tender al equilibrio osmótico) el agua difunde pasivamente o por acuoporinas al interior de la célula. Conforme toma agua del medio, el protoplasto aumenta de volumen y se hincha. El aumento de volumen lleva consigo un aumento en la presión que el protoplasto ejerce sobre la pared celular, sin embargo, nunca será mayor que la resistencia mecánica de la pared.
En resumen, por mucho que aumente la presión osmótica interna, llegará un punto en el que el agua no pueda entrar debido a la resistencia mecánica de la pared.
Entonces, ¿cómo consigue la célula vencer esta resistencia? Para que la presión de turgor (PT) consiga vencer la resistencia mecánica (RM) y generar extensión de la pared, la célula tiene mecanismos que le permiten disminuir la RM transitoriamente.
FÍSICA DE LA PARED CELULAR: Es necesario conocer si la pared celular es elástica o anelástica. Las células lignificadas son completamente anelásticas, no permiten extensión de sus componentes. Sin embargo, las células poco diferenciadas que tienen que crecer y aumentar de tamaño necesitan tener paredes que se vuelvan elásticas transitoriamente.
• Un ejemplo de vida cotidiana muy visual es el de una goma de pelo. Cuando se aplican dos fuerzas sobre los extremos de la goma en sentidos opuestos se observa deformación elástica que lleva consigo un aumento de la longitud y una disminución del grosor. La deformación es independiente del tiempo de aplicación de la fuerza pero dependiente de la fuerza aplicada (cuanta más fuerza más elongación, y ante una misma fuerza mantenida en el tiempo la goma mantendrá la elongación). La elasticidad siempre tiene un límite que conlleva deformación plástica (no hay cambios en longitud al mantener en el tiempo una misma fuerza) o deformación visco-elástica (cambio en longitud al mantener en el tiempo una misma fuerza).
Deformación plástica: en términos de pared celular, la deformacion plástica se da por la capacidad que tienen los enlaces, que unen polímeros entre sí, de estirarse hasta un límite determinado por las fuerzas intermoleculares del propio enlace. Sería como un deslizamiento de bandas de polímeros.
Deformación visco-elástica: se daría en la pared celular cuando haya rotura de enlaces, lo cual permitiría un mayor aumento en la elongación en comparación con la plástica.
• • Durante el crecimiento celular no basta con la deformación plástica (DP; que unas bandas de polímeros deslicen sobre otras) si no que es necesaria la deformación visco-elástica (que haya rotura de enlaces y posterior recuperación).
➢ “Obviamente, descartamos la deformación visco-elástica como único mecanismo de crecimiento; porque si no tendríamos plantas desperdigadas por el suelo persiguiéndonos con sus pseudópodos”.
La DP justifica que el crecimiento se detenga en algún momento de la vida vegetal.
LA COMPOSICIÓN NOS DARÁ UNA IDEA DE CUÁNTA PROPORCIÓN EXISTE DE CADA UNA DE LAS DEFORMACIONES DURANTE EL CRECIMIENTO Homopolímeros • Celulosa: son moléculas de glucosas unidas mediante enlace glicosílico β-1,4 entre hidroxilo del C1 e hidroxilo del C4. Es una molécula estrictamente lineal.
• β – 1,3 – glucano: homopolímero de glucosas unidas mediante ese enlace que presenta un giro de 60º, lo cual le permite entremezclarse con polímeros de celulosa.
Celulosa β – 1,3 – glucano • (1,4) (1,3)‐‐D‐glucano: otro homopolímero con los dos enlaces anteriores alternados a lo largo de la molécula.
Heteropolímeros: suelen tener un esqueleto homopolimérico • Fucogalacto – xiloglucano: esqueleto de celulosa con uniones a C6 de xilosas. Ya es heteropolímero ramificado. Sobre la xilosa se une galactosa y sobre esta una fucosa.
Aumenta muchísimo el número de hidroxilos de la molécula por lo que da pie a la formación de múltiples puentes de hidrógeno que confieren elevada resistencia mecánica.
• Glucuronoarabinoxilano: este tiene un esqueleto de  (1,4) xilano al cual se une arabinosa o incluso un ácido glucurónico (glucosa cuyo C6 se ha transformado en carboxilo). En este caso la molécula tendrá carácter ácido.
• Pectinas: son moléculas de ácido poligalacturónico con un esqueleto de α (1,4) galacturonano al cual se unen xilosas.
Clasificación general de los heteropolímeros: ➢ Hemicelulosas: esqueletos de xilano o glucano.
➢ Pectinas: esqueletos de galacturonano. Pueden formar sales con iones en disolución, por ejemplo sales cálcicas con catión Ca2+ que escayolan la pared y aumentan la resistencia mecánica.
Componente proteico: no tiene mucha importancia para la resistencia mecánica. Son proteínas ricas en hidroxiprolina que pueden estar glicosiladas con moléculas de xilosa, por ejemplo.
Recibieron el nombre “desgraciado” de extensinas. Desgraciado porque en los 70's, investigadores que trataban de dilucidar el mecanismo de elongación de la pared celular, descubrieron que dentro de todos los polisacáridos se encontraba un pequeño porcentaje de proteínas ricas en hidroxiprolina glucosiladas. Como las proteínas tienen mayor plasticidad que los glúcidos pensaron que podrían estar implicadas en la extensión de la pared, pero no. Su verdadero papel es de defensa, donde actúa como un anticuerpo rudimentario contra antígenos.
16/03/2017 Un pequeño resumen de lo anterior: primero dejamos patente la existencia de dos modelos de deformación de la pared celular para que la célula pudiese aumentar de volumen. En segundo lugar hemos visto una serie de componentes de la pared que oponen la resistencia a la deformación: la mayor parte polisacáridos (homopolímeros y heteropolímeros), pocas proteínas glucídicas o no glucídicas, y ni rastro de lípidos (si los hay, de forma transeúnte).
Todos estos componentes forman dos posibles tipos de paredes celulares: de tipo I y de tipo II. Son paredes celulares primarias porque pueden soportar deformación y crecimiento, mientras que una pared secundaria lignificada (S1, S2, S3) sería incapaz de crecer.
• Pared de tipo I: bajo contenido en pectinas.
• Pared de tipo II: alto contenido en pectinas.
Sabemos que la deformación física es necesaria para el crecimiento de la célula, sin embargo, todavía no hemos demostrado la propiedad elástica de la pared celular.
EXPERIMENTO 1 Se ha trabajado con hipocótilos (fragmento de tallo que crece por debajo de los cotiledones, es una semilla de pepino que ha germinado y ha dado una plantulita) de pepinillo. El epicótilo todavía no existe, por lo que es una plántula en proceso de crecimiento.
Se ha cortado un segmento de hipocótilo de longitud conocida. Se introduce en un vaso de precipitados con una fase líquida (para mantener la actividad de las células) y se somete a un tensiómetro de Instron.
El hipocótilo sacado de una plántula en crecimiento se verá sometido a una fuerza externa controlada, que simula la presión de turgor de la célula, variable cuya eficacia se trata de demostrar en el experimento. La presión de turgor induce el hinchamiento del protoplasto que ejerce una fuerza interna sobre la pared celular, por lo que nosotros aplicamos una fuerza externa que simule dicha presión de turgor de manera controlada.
El medio inicial tiene pH 7.
Parte 1. Se aplica la fuerza en el medio con pH 7 y se observa que la elongación es prácticamente nula. Es un tejido en crecimiento, por lo que el primer resultado es poco concluyente con la hipótesis inicial.
Parte 2. Se aplica la misma fuerza en un medio con pH 4.5 (añadiendo unas gotitas de ácido).
Ahora el hipocótilo empieza a elongar. Describe un principio de hipérbola, es decir, el crecimiento al principio es muy rápido y conforme pasa el tiempo va disminuyendo. Se puede suponer que existirá un final de crecimiento donde cesará su elongación y habrá deformación plástica (ya que no variamos la fuerza aplicada). Sin embargo, también podemos pensar que el inicio del crecimiento sea debido a una deformación visco-elástica ya que se observa que depende del tiempo y de la fuerza aplicada.
Formulamos una hipótesis: el inicio del crecimiento responde a una deformación visco-elástica dependiente del tiempo y de la fuerza aplicada, y el final viene determinado por una deformación plástica dependiente únicamente de la fuerza aplicada.
Lo que no sabemos es si el medio ácido influye sobre los componentes de la pared celular directamente o si es captado por algún mecanismo de transducción intracelular.
EXPERIMENTO 2 Repetimos el mismo experimento 1 con una variante: Cortamos dos segmentos de hipocótilo.
• Lo que se pretende hacer es desnaturalizar proteínas, y se puede elegir entre un tratamiento por hervido o por congelación. El hervido destruye las células, sin embargo, la congelación/descongelación repetida 3 ó 4 veces las mantiene intactas aunque forma cristales de hielo intracelulares que rompen las secuencias peptídicas de las proteínas y de otras macromoléculas perdiendo su actividad biológica.
Sometemos uno de los dos segmentos a un tratamiento de congelación, tras lo cual se introducen en un vaso de precipitados con su medio líquido correspondiente (como sabemos que el pH 7 no funciona lo ponemos de entrada a pH 4.5) y le aplicamos la fuerza externa. No hay estiramiento.
¿Son las proteínas las responsables de la percepción del pH ácido y de la respuesta de elongación? Lo podemos saber cogiendo hipocótilos no congelados. Preparamos un extracto homogeneizando el tejido celular no congelado. Se separa el contendido celular del proteico por centrifugación y ahora goteamos las proteínas activas del sobrenadante en el mismo vaso de precipitados que contenía el hipocótilo congelado. Inmediatamente después de añadirlas el hipocótilo comienza a elongar.
Conclusión: hay proteínas que deben tener una acción sobre la elongación y por defecto sobre la resistencia mecánica de la pared celular, que no son activas a pH7, y tampoco cuando son sometidas a desnaturalización por congelación.
Lo que queda es irse a un banco de enzimas y buscar enzimas vegetales relacionadas con polímeros que compongan la pared celular, que trabajen a pH 4.5 y que no lo hagan a pHs mayores.
Encontramos dos familias de enzimas hidrolíticas importantes: • Complejo xilan-endo-trans-glicosilasa: Su sustrato es un xilano (enzima que trabaja con hemicelulosas, cuyo esqueleto pricipal sean monómeros de xilosa unidos por enlaces β-1,4).
“Endo” hace referencia a que tiene actividad endohidrolasa, puede romper enlaces glicosídicos empezando por cualquier punto de la cadena (las exohidrolasas empiezan por los extremos). “Glicosilasa” quiere decir que rompe enlaces glicosídicos (puentes de oxígeno entre los dos hidroxilos de xilosa). “Trans” significa que se vuelven a formar enlaces glicosídicos entre un monómero de una fibra de xilosa con el monómero de otra fibra adyacente.
Para entender mejor la función “trans” del complejo se puede explicar este diagrama.
Partimos de varias moléculas de celulosa (homopolímero lineal de glucosas en uniones β-1,4) aglutinadas que forman puentes de hidrógeno entre cadenas adyacentes, dando lugar a microfibrillas de celulosa.
Las hemicelulosas más o menos ramificadas se entrecruzan entre las fibras de celulosa para hacer la malla aún más resistente. Los glicanos de unión cruzada que se observan en el dibujo son xilanos que conectan dos microfibrillas de celulosa mediante puentes de oxígeno suplementarios.
La XETG rompe la molécula de xilano por un punto interior separando una molécula de xilano que queda unida a la celulosa de arriba y otra que se une a la de abajo. La enzima no se separa del xilano ya que tiene que actuar como “trans”.
Suponemos que el protoplasto empuja desde dentro de la pared ejerciendo una presión de turgor y las microfibrillas de celulosa que se han separado deslizan unas sobre otras. La XETG une un extremo de xilano de una microfibrilla con otro extremo de una microfibrilla cercana. Las dos fibras de celulosa vuelven a fijarse y se ha producido extensión de la pared. El grosor disminuye y la longitud aumenta.
• Exo/endo β-1,4 glucanasa: son enzimas hidrolíticas de β-1,4 glucan, que es la celulosa en sentido estricto. La celulosa representa el 70% de la estructura de la pared celular, lo que quiere decir que se está rompiendo la base mayoritaria del sistema.
Por tanto, las enzimas más importantes son la XETG que debilita la malla y las β-1,4 glucanasas que rompen el componente estructural mayoritario de la pared. También existen otras enzimas como las pectinasas que rompen moléculas de pectina, pero tienen menor importancia a la hora de generalizar utilizando las paredes de tipo I y II como modelo.
Malla de celulosa con todos los puentes de H entre hidroxilos.
Conclusión: al acidificar el pH del medio los protones entran en la célula bajando el pH citoplasmático o por lo menos el pH de la zona periplásmica. Las moléculas de celulosa se deslizan unas sobre otras a la vez que se rompen para volver a unirse elongando la célula y disminuyendo su grosor.
En esta célula se puede observar la pared celular (CW) adelgazada en un punto por la acción de las XETG y glucanasas. La pared está a punto de romperse porque las enzimas han aumentado mucho su tiempo de actuación.
Estamos ante una célula preapoptótica, ya que en el mismo momento en que se rompa la pared el protoplasto saldrá al medio y se lisará. No es nuestro caso ya que lo único que queremos ver es elongación, pero podemos dejar patente que estas enzimas tendrán un papel importante en la apoptosis.
En esta micrografía electrónica de barrido observamos que entre la cara externa de la membrana celular y la cara interna de la pared celular hay un entramado reticular que se ha revelado con tinción de nitrato de plata (tiñe glicoproteínas y polisacáridos).
En el espacio periplásmico durante el crecimiento hay glicoproteínas y polisacáridos circulando que provienen del protoplasto. En algún sitio del citoplasma se producen y se exocitan.
Los polisacáridos que encontramos en el espacio periplásmico son esencialmente hemicelulosas y pectinas, también glicoproteínas (pero estas glicoproteínas ya estudiadas, las extensinas, no participan en el proceso de extensión). Se excluyen las celulosas por una razón que se explicará más adelante.
En el Aparato de Golgi es donde se sintetizan las hemicelulosas y las pectinas así como el lugar donde se glicosilan todas las proteínas segregables (que se externalizan por transporte pasivo a través de la membrana celular). Las cisternas de golgi comienzan a acumular estos componentes en los extremos del sistema y se producen vesículas que se conocen como TGN (Trans-GolgiNetwork). Una vez se desgajan del Ap. Golgi migran hacia la cara interna de la mb celular donde segregan al espacio periplásmico el contenido acumulado por pinocitosis inversa.
Esta micrografía demuestra todo lo anterior. Hay TGN en la cara interna de la membrana celular, otra vesícula iniciando la pinocitosis inversa y el contenido de la misma llegando a la cara interna de la pared celular.
Explicación del componente de celulosa: Las moléculas de celulosa comienzan a sintetizarse en la cara externa de la bicapa lipídica como moléculas de celulosa nacientes. Hay unas vesículas que se encuentran en la cara interna de la membrana plasmática y que van polimerizando la celulosa. Son sistemas transmembrana, de tal manera que cogen monómeros de glucosa del interior y la pegan a la cadena de celulosa naciente.
En esta micrografía preparada por criofractura y visualizada a microscopía electrónica de barrido se pueden observar una serie de cuerpos circulares que a mayor aumento se ve que están formados por unas bolitas que dejan en el centro una hendidura por la cual pasan los monómeros de glucosa para polimerizar la molécula de celulosa naciente.
En estas dos imágenes podemos observar el proceso de polimerización de la celulosa. Un complejo multiproteico, la celulosa sintasa, recoge un disacárido de sacarosa y lo esciende en fructosa y glucosa. Deshecha la fructosa y se queda con la glucosa, que la transforma en UDPG (Uridin difosfato glucosa). La celulosa sintasa utiliza esta UDPG como donador de glucosa a la cadena naciente de celulosa. Transfiere la glucosa al inicio de la cadena y va creciendo.
La cadena de celulosa va creciendo sobre la cara externa de la membrana plasmática hasta que en un momento determinado la pared celular entra en contacto con la cara externa y otra molécula de celulosa u otras moléculas de hemicelulosa forman puentes de hidrógeno, arrastran el polímero de celulosa y lo incorporan a la pared celular por aposición.
Conclusión: gracias a las hemicelulosas y pectinas segregadas por las TGN del aparato de Golgi y a la celulosa sintasa, la célula es capaz de reparar y engrosar la pared que había adelgazado por acción de las hidrolasas.
Sucesos simultáneos y secuenciales que han tenido lugar hasta ahora: 1. Acidificación del medio externo.
2. Reblandecimiento de la pared celular por las enzimas activas a pH ácido que rompen controladamente las moléculas constitutivas de la pared celular.
3. Reparación de los daños tras la extensión.
La auxina es la molécula que controla TODOS estos sucesos. Es la que hace que el pH se acidifique, y responsable secundaria de que las XETG y las glucanasas reblandezcan la pared celular. También de que las hemicelulosas, pectinas y celulosas reparen los daños.
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