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 AlmacenamientoAsimilación y transporte de aguaSoportePrevención de pérdida de aguaReproducción de nuevas célulasControl de la ventilación de las hojas

PARED CELULAR: Porqué estudiar la pared celular?

La pared celular (PC) daprotección y permite a lasplantas utilizar la presión de turgencia para elevarse y vencer la gravedad.

• Las plantas fabrican el 99% de la biomasade la tierra.

• El 10% de esa biomasa se encuentra en lasparedes de las células.

• Fuente Importante de materiales: madera, papel, fibras, etc …

Ejemplo de célula: peloradical

seccióntransversal

0.5cm

root

root hairs

30 µm

cell wall membrane

interior

Observando el interior de la pared celular

Sección de la superficie

Imagen de MicroscopioElectrónico (TEM, técnica sombreado)

Microfibrillas de celulosa (CMF) en una matriz de polisacáridos

2-4 nm

CMF

RG-I, ramnogalacturananoI-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 helicoidalempaqueta el hiloen forma eficientey resistente.

Sintasas de CMF en “rosetas”

Cómo se sintetizan las microfibrillas de celulosa (CMF)?

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 hacegirar a la CMF haciaafuera de la célula.Brown et al. (1997)Arioli et al. (1999)

Probable:

La sintasa de CMF es propulsadapor 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 co-

alineamiento 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 lasCelulosa Sintasas (CS) que se mueven en la MP.

La deposición de CMFs ocurreen el espacio limitado por la MP y la pared celular que yaexiste.

• Las CMFs aparecenestrechamente empaquetadas y espaciadas por ~20nm

• Las CMFs tienen un largo L de >> 1 µm

cell interior

CMF

synthase

exis

tin

g w

all

membrane

Producción e Inserción de Celulosa Sintasas en la MP

Aparato de Golgi

vesicle

Pared celular

sintasa

membrana

exocitosis

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 aplicaciónde ecuaciones matemáticas que consideran lassiguientes variables:

1) Tiempo de síntesis de celulosa sintasas (CS), apariciónde las CS y formación de rosetas para la producción de CMFs

2) Vida media de las CS y rosetas, y velocidad de recambio3) Movimiento de las CS en la MP en función de los

dominios de inserción de las CS en la MP

Resultados I: La pared Helicoidal

Depende de la sincronización del tamañoy la velocidad de los dominios de inserción en la MP, y de la velocidadde producción de sintasasy 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 muyrápida lo cual resulta en una alternanciaentre 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 queel tiempo que le toma al dominio de inserción cruzar una distanciaigual a su longitud. Es la pared más común encontrada en lasmaderas.

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 quepuede 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.

• Lamina media compuesta por pectinas• Pared Primaria compuesta por:- Celulosas- Sustancias Pécticas- Proteinas- Oligosacarinas- Si son células epidermicas, también tienen cutinas

y ceras- Hemicelulosas

ESTRUCTURA QUIMICA DE LA PARED CELULAR

Secondary walls layers

MacrofibrillaCelulosa: Hasta 500.000 moléculas de celulosa unidas por hemicelulosa. Más fuerte que el concreto reforzado.

HEMICELULOSAS

• Son un conjunto de polisacáridos que tienencomo función unir a las microfibrillas de celulosa entre si, así como a lasmacrofibrillas 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 lasláminas 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 inducidaspor la acción hormonal.

• Funcionan como mensajeros químicos de lashormonas 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 ricasen 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, pectina-

metilesterasa, poligalacturonasa. Remodelado de la pared celular.

• Síntesis, transferencia e hidrólisis de macromoléculas

• Modificación de metabolitos extracelulares

LIGNINA

• Componentes típicos de la pared celularsecundaria

• Son compuestos aromáticos complejos• Compuestas por moléculas amorfas de gran

tamaño, derivadas del p-hidroxi-fenil-propano

• La molécula básica de lignina deriva de tresalcoholes: p-coumaril, coniferil y sinapil

ESTRUCTURA DE LA LIGNINA

CUTICULAS y CERASmaiz

DETALLE DE PARED CELULAR EN EPIDERMIS

Ac. Cutinico

Ac. Felonico

Esteres de alcoholessuperiores, ac. grasos, hidrocarburos.

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

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´.

CESA

Resultados – Capítulo III

Resultados – Capítulo IIIEn Arabidopsis thaliana: 10 genes CESA

Pared primaria

Pared secundaria

- CESA1, CESA3 y CESA6

- Mutantes: reducción en la longitud

celular, expansión radial

- 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 IIIEfecto del NO sobre la morfología de vasos xilemáticos

SNP 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 IIIOxido Nitrico (NO) e incorporación de 14C-glucosa a celulosa en el tiempo

Mayores diferencias al día 1 de tratamiento. No se detectan diferencias al 2do y 3er día de tratamiento.

Correlación con vida media del dador (t1/2= 12 hs). Respuesta reversible

Resultados – Capítulo IIIEfecto del secuestro de NO sobre la incorporación de 14C-glucosa a celulosa

El efecto del SNP sobre la incorporación de 14C-glucosa a celulosa es

una respuesta específica de la molécula de NO

CPTIO, secuestrantede 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

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