Teórico módulo I - Olimpíada Argentina de Biología
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MINISTERIO DE EDUCACIÓN DE LA NACIÓN ARGENTINA UNIVERSIDAD NACIONAL DE RÍO CUARTO FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICO – QUÍMICAS Y NATURALES DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES OLIMPÍADA ARGENTINA DE BIOLOGÍA APEB ÁREA DE ACTUALIZACIÓN Y PERFECCIONAMIENTO EN LA ENSEÑANZA DE LA BIOLOGÍA DESDE LA CÉLULA A LA FOTOSÍNTESIS EN PLANTAS SUPERIORES Módulo 1 AUTORES DRA. HERMINDA REINOSO DRA. MARÌA DEL CARMEN TORDABLE PROF. MARGARITA GROSSO ASESOR PEDAGÓGICO - DIDÁCTICO PROF. GRACIELA B. RAFFAINI COORDINADOR COMITÉ ORGANIZADOR EJECUTIVO - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - ESTIMADO COLEGA: Bienvenido al módulo Célula Vegetal. Este modulo es el primero del curso” Desde la Célula a la Fotosíntesis en las Plantas Superiores” organizado por el Área de Actualización y Perfeccionamiento en la Enseñanza de la Biología (APEB) de la Olimpíada Argentina de Biología. Las plantas son organismos multicelulares formados por millones de células, muchas de ellas con funciones específicas. La división de trabajo se observa también a nivel celular, a medida que las células se diferencian y se tornan más o menos complejas. La especialización funcional se expresa en diferencias morfológicas entre células, y es la característica que explica el por qué de la complejidad estructural de un organismo multicelular. Todas las células vegetales poseen una organización básica común que responde a las necesidades de la vida autótrofa vegetal: tienen un núcleo, un citoplasma y organelas subcelulares, los cuales se encuentran rodeados por una membrana que establece sus límites. Así como una pared celular que rodea el protoplasto (núcleo + citoplasma con sus inclusiones). La temática del módulo abordará aspectos básicos de la biología de las células vegetales con especial énfasis en las características que la distinguen de las células animales y profundizará el conocimiento de la organización básica celular para establecer y reconocer las variaciones que presente de acuerdo a su especialización. 1 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Contenidos previos Para este módulo se deberán tener presentes los conceptos de: ¾ Organización general de una célula procariota y eucariota. ¾ Características diferenciales entre mitosis y meiosis. ¾ Características generales de la molécula de agua, macromoléculas (lípidos, proteínas y polisacáridos). ¾ Procesos de difusión y ósmosis. ¾ Diferencia entre transporte activo y pasivo. 2 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - LA CÉLULA VEGETAL Membrana plasmática. Citoplasma. Citoesqueleto. Núcleo. Ribosomas. Retículo endoplásmico. Aparato de Golgi. Plastidios. Mitocondrias. Lisosomas. Vacuolas. Sustancias ergásticas. Tanto las plantas como los animales están constituidos básicamente por células y por sustancias segregadas por las mismas. Las plantas superiores muestran notables diferencias entre sus tejidos una vez alcanzada la madurez. Aunque en muchos aspectos fundamentales existen coincidencias entre las células animales y vegetales, hay una serie de características que las diferencian claramente. Las células vegetales presentan: pared celular, plastidios, vacuolas, retículo endoplásmico y mitocondrias (en menor cantidad que las células animales). Además en vegetales superiores no se ha observado la existencia de centríolos. En una célula vegetal típica, puede observarse la pared celular y el protoplasto (Fig. 1). La pared celular es la responsable de la forma de la célula (puede considerarse como un exoesqueleto). Es una cubierta externa relativamente gruesa segregada por la célula, ésta es la característica más evidente que diferencia a la célula vegetal de la animal. En la siguiente sección se describirá dicha pared, mientras que la presente tratará sobre el protoplasto vegetal. Membrana plasmática Pared celular RE liso Cloroplasto Mitocondria Crist Vacuola Envoltura Cromatin Nucleolo Lisosom RE liso Re rugoso Dictiosoma Plasmodesmos Amiloplasto Vacuola de secreción Figura 1: Esquema de una célula vegetal mostrando pared celular núcleo prominente, numerosos orgánulos citoplasmáticos entre los que se destacan los cloroplastos propios de este tipo de célula. También se observan vacuolas que ocupan gran parte de la célula delegando al resto de su contenido hacia la región parietal de la misma. 3 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Membrana plasmática o plasmalema Hacia el interior de la pared celular se encuentra la membrana plasmática ó plasmalema, que regula la interacción de la célula con el medio que la rodea, realizando tanto un control pasivo como activo de la permeabilidad. Es de composición lipoproteica (fosfolípidos y proteínas) y limita al citoplasma, está en contacto con la pared por su lado externo, sin fundirse con ella, y con el citoplasma por su lado interno. El plasmalema no es meramente un límite físico, sino que es una superficie funcional fluida y dinámica, sede de muchos procesos bioquímicos. Su misión principal es controlar los intercambios que tienen lugar entre el citoplasma y el medio extracelular. Posee una permeabilidad selectiva, que es diferente según el tipo de célula vegetal, y que, en determinadas células varía a lo largo del tiempo de vida. En general, los intercambios a través de la membrana plasmática pueden ser consecuencia de un transporte pasivo, simplemente por diferencias de concentración entre el medio intracelular y extracelular, o activo, con intervención directa de ciertos sistemas de transporte localizados en la membrana y, en este caso, con gasto de energía por parte de la célula. Su estructura es trilaminar y su espesor es de unos 7 a 8 nm, es por ello que sólo es observable directamente con microscopio electrónico. Su ultraestructura, denominada «unidad de membrana», es la constituyente básica de diferentes orgánulos citoplásmicos, tales como el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi o dictiosoma, las mitocondrias y los cloroplastos, aunque con diferencias particulares en cuanto al espesor y a la composición química. Citoplasma El citoplasma es la porción de protoplasma que rodea al núcleo, está separado de la pared celular por la membrana plasmática y de los vacúolos por el tonoplasto. Contiene numerosos orgánulos y sistemas de membranas que se encuentran inmersos en la matriz citoplasmática, hialoplasma, o citosol. Este medio presenta generalmente un aspecto homogéneo, aunque en ocasiones pueden observarse inclusiones en forma de gotas lipídícas (sobre todo en las células de semillas oleaginosas), diferentes cristales y granos de almidón (sustancias ergásticas). Su importancia radica en que representa una reserva de moléculas imprescindibles para el funcionamiento y el mantenimiento de la estructura celular. Es el medio donde se desarrolla gran cantidad de reacciones metabólicas. Puede considerarse como una solución coloidal, aunque su estado varía constantemente según el área del citosol y de acuerdo con las circunstancias metabólicas. En cualquier caso no es algo estable, sino que es altamente dinámico e incluso existen corrientes en su interior. Su composición química es muy compleja, siendo su componente principal el agua (85-90%). Después del agua, las proteínas son el componente más abundante (proteínas enzimáticas y estructurales), contiene también ARN en sus diferentes formas, azúcares, aminoácidos, nucleósidos y nucleótidos, gran cantidad de compuestos llamados del metabolismo intermediario, y diferentes iones. Citoesqueleto Técnicas modernas como la fluorescencia y el microscopio electrónico de alto voltaje han permitido observar la complejidad del citoplasma. La matriz citoplasmática está atravesada por un citoesqueleto que es un sistema dinámico relacionado íntimamente con la orientación espacial y coordinación de la mayoría de los procesos 4 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - celulares. Sus componentes se ligan a la membrana plasmática y a otras estructuras membranosas mediante proteínas especificas. El citoesqueleto de la célula animal está formado por tres tipos de filamentos proteicos: los microfilamentos o filamentos de actina, los microtúbulos y los filamentos intermedios. Sin embargo, en la célula vegetal sólo se han observado microfilamentos y microtúbulos (Fig. 2), aunque no se descarta que también puedan estar presentes los filamentos intermedios, si bien aún se desconoce su rol y estructura en este tipo celular. Los microfilamentos presentan aspecto de hebras y están constituidos por una doble hélice de actina. La actina es una proteína globular cuyas moléculas se asocian en presencia de ión calcio y energía (adenosíntrifosfato = ATP) dando largas hélices. Estos microfilamentos presentan un mecanismo preciso para su armado o modificación; uno de los extremos permite el crecimiento del filamento por adición de nuevas moléculas de actina, mientras que el extremo se puede modificar por desprendimientos de estas moléculas. Los microfilamentos son abundantes en la parte externa del citoplasma y participan en el movimiento del mismo. En las células vegetales este movimiento o corriente citoplasmática se denominada ciclosis y se puede observar en algunas especies bajo el microscopio óptico, al percibir el desplazamiento de los plástidios cuando son arrastrados por la corriente citoplasmática. Los microtúbulos son tubos cilíndricos, de longitud variable cuyo diámetro es de aproximadamente 25 nm. Están constituidos por una proteína globular llamada tubulina. Las moléculas de tubulina se unen en presencia de ión magnesio y energía (GTP). Al igual que los microfilamentos, los microtúbulos presentan polaridad. Crecen por adición de nuevas unidades de tubulina en uno de los extremos, mientras que en el otro se van desprendiendo las unidades viejas. Los microtúbulos son constituyentes del huso acromático, estructura fundamental para la ordenación y emigración de los cromosomas durante la mitosis, también actúan como soporte o carril sobre el cual las proteínas motoras transportan vesículas y moléculas grandes. Su polimerización y despolimerización es responsable de determinadas corrientes internas del citoplasma. Los microtúbulos se relacionan también con el mantenimiento de la distribución espacial de los organelos en el citoplasma y juegan además un papel fundamental en la orientación de las microfibrillas de celulosa que se van depositando en la pared celular en formación. a) Microfilamento 7nm Moléculas de actina 25 nm b) Microtúbulo Subunidad de tubulina c) Filamento intermedio 10 nm Figura 2: Esquema de los componentes del citoesqueleto - Imagen tomada de Moore et al. 5 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Núcleo El núcleo de las células vegetales presenta generalmente mayor contenido de ADN que las células animales, y su forma suele ser esférica o elipsoidal. La mayoría de las células de las plantas superiores presenta un solo núcleo cuyo diámetro está en el rango de 5 a 15 µm. En las células embrionarias, la relación volumen nuclear / volumen celular es sensiblemente superior que en las células vegetales diferenciadas. Está limitado por una doble membrana, la envoltura nuclear, que presenta poros a intervalos regulares y está conectada con el retículo endoplásmico (Fig 3). El núcleo presenta en su interior un medio de apariencia similar al de la matriz citoplasmática, pero frecuentemente con diferente densidad. Se lo denomina nucleoplasma, y contiene uno o varios nucleolos, y la cromatina. Cuando la célula va a dividirse, la cromatina se condensa y los cromosomas pueden distinguirse como cuerpos alargados. En cuanto a la composición química, los cromosomas tienen una naturaleza nucleoproteica, ya que en ellos se encuentra fundamentalmente ADN y proteínas (histonas y no histónicas). El nucleolo, por otra parte, contiene sobre todo ARN y proteínas. El núcleo es el responsable fundamental del control del desarrollo y reproducción de la célula, si bien los cloroplastos y las mitocondrias, al tener su propio ADN, tienen por ello una parcial autonomía. Es bien sabido que el ADN nuclear es capaz de controlar la síntesis de ARN mensajero que pasa al citoplasma, para que allí, de acuerdo con las instrucciones procedentes del núcleo, tenga lugar la síntesis de proteínas específicas a nivel de los ribosomas. Dependiendo de qué genes estén activos y cuáles se encuentren reprimidos, se transcribirán diferentes ARN mensajeros y, por lo tanto, serán diferentes las proteínas sintetizadas por la célula en cada estadio vital. Nucleolo Poro de la doble membrana Filamentos de Cromatina Cromatina R.E rugoso Figura 3: Esquema de la estructura nuclear y su relación con el retículo endoplasmico Ribosomas Los ribosomas son cuerpos muy pequeños (diámetro entre 10 y 15 nm) visibles solamente con microscopio electrónico, están formados por dos subunidades diferentes que al acoplarse dejan entre ambas un canal por el que se desliza el ARN mensajero. Ambas subunidades presentan cantidades más o menos equivalentes de ARN y proteínas. Pueden presentarse libres en el citoplasma, frecuentemente en hileras llamadas polirribosomas o bien sobre la superficie del retículo endoplásmico rugoso, que luego describiremos. También se encuentran en los cloroplastos y en las mitocondrias, aunque con características especiales. 6 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Los ribosomas tienen una gran importancia funcional ya que son los lugares donde ocurre la síntesis de proteínas de acuerdo con la información codificada en el ARN mensajero. Precisamente la disposición en hilera para formar los polirribosomas resulta de la asociación de éstos a una cadena de ARN mensajero. Retículo Endoplasmático (RE) Está constituido por un complicado sistema de membranas plegadas que delimitan espacios o cisternas de forma más o menos cilíndrica o bien aplanadas. Es visible sólo por microscopía electrónica. Cuando las membranas del RE presentan ribosomas en su superficie externa se denomina retículo endoplasmático rugoso (RER), mientras que en el caso contrario se habla de retículo endoplasmático liso o agranular (REL). Las células vegetales presentan ambos tipos de RE, pero el rugoso tiene un desarrollo menor que en las células animales ya que no necesitan exportar tantas proteínas como éstas. El retículo liso y el rugoso no son entidades aisladas, sino que existe una continuidad entre ellos. En el REL se produce la síntesis de fosfolípidos, los que se utilizarán para el crecimiento de las biomembranas. Los fosfolípidos se acumulan en el interior de los túbulos y luego son englobados en vesículas que se dirigen a los dictiosomas. El RER tiene a su cargo la síntesis de proteínas. Estas proteínas pueden ser incorporadas inmediatamente después de formadas a las membranas, o pueden necesitar que se las acondicione en los dictiosomas antes de llegar a su destino final. Las membranas del retículo endoplásmico se conectan con la envoltura nuclear y se extienden hasta los márgenes de la célula, observándose a veces continuidad del RE entre células adyacentes a nivel de las conexiones intercelulares llamadas plasmodesmos. Aparato de Golgi ó Dictiosoma El Aparato de Golgi es visible sólo con microscopía electrónica y consiste en una pila de 2 a 20 cisternas aplanadas, que con frecuencia se encuentran dilatadas en los extremos. Estas cisternas, como las del RE, están delimitadas por una sola unidad de membrana y están asociadas en sus bordes con un cierto número de vesículas, las cuales se piensa que proceden de las mismas cisternas por gemación (Fig. 4). Los dictiosomas están implicados en la síntesis de polisacáridos no celulósicos de la pared celular (pectinas y hemicelulosas) y en el acondicionamiento de las sustancias provenientes del RE y su posterior secreción. Así, los dictiosomas son los encargados de unir las proteínas sintetizadas por el RER con azúcares, transformándolas en glucoproteínas y trasladarlas en vesículas a su destino final (por ej. en la fase amorfa de la pared celular). Cuando las vesículas llegan a la membrana plasmática son secretadas por exocitosis, incorporando su contenido a la pared celular y permitiendo así la formación y crecimiento de la misma. De la misma manera se excretan al exterior otros productos como mucílagos en los ápices radicales, o el néctar de las células glandulares. El número de vesículas y de dictiosomas varía según la actividad de la célula y del tipo celular llegándose en algunos casos a varios miles. Los dictiosomas tienen una polaridad funcional, presentan una cara distal, secretora o trans donde constantemente se forman vesículas por fragmentación de la cisterna y una cara proximal, formativa o cis donde se produce la adición de nuevas cisternas generalmente a partir del RE. . 7 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Vesícula secretora Núcleo Pared celular Poro nuclear Vesícula de transición Membrana plasmática Cara secretora o trans Cara formativa o cis RE rugoso Aparato de Golgi Figura 4: Diagrama que ilustra la interacción del retículo endoplasmático y el complejo de Golgi y sus vesículas - Imagen tomada de Raven et al. zzz Plastidios Los plastidios son exclusivos de las células vegetales, y pueden dividirse en dos grupos básicos: pigmentados y no pigmentados. Los pigmentados participan del proceso fotosintético y los más típicos son los cloroplastos, que se encuentran en los órganos de la planta expuestos a la luz y deben su color verde a la presencia de clorofila. Además están los cromoplastos, de color amarillo, anaranjados o rojo, que contienen pigmentos carotenoides (caroteno y xantofilas), antocianinas y ficobilinas se encuentran fundamentalmente en las partes florales, pero también pueden presentarse en frutos o raíces (por ejemplo, zanahoria). Entre los plastidios no pigmentados o leucoplastos se incluye los proteinoplastos, (que almacenan diversas proteínas): los oleoplastos o elaioplastos, (que sintetizan y acumulan sustancias grasas) y los amiloplastos, (que sintetizan y acumulan almidón). El almidón, es un polisacárido de reserva, derivado de la glucosa producida en la fotosíntesis. Para la formación del grano, el almidón se deposita en estratos alrededor de un centro de formación (hilio). Los granos céntricos presentan el centro de formación en el punto medio del grano mientras que los excéntricos lo presentan desplazado hacia uno de los lados en este caso cada capa de almidón tiene un ancho desigual. También pueden haber granos de almidón compuestos que se caracterizan por presentar más de un centro de formación. Distintos granos de Almidón 1) Grano de almidón excéntrico de Salanum tuberasum L. “papa” 2) Grano de almidón de Triticum sp “trigo” y de Zea mays L. “maiz” 3) Grano de almidón compuesto 4) Grano de almidón compuesto de Avena sativa L. “avena” y de Oryza sativa L. “arroz” 8 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Plastidios cloroplastos (de color verde) cromoplastos (de color amarillo, anaranjado o rojo) Pigmentados no pigmentados con clorofila. Intervienen en la fotosíntesis con carotenoides (caroteno y xantofilas) amiloplastos con almidón oleoplastos o elaioplastos con sustancias lipídicas proteinoplastos con cristales de proteínas Los cloroplastos son los plastidios más importantes, ya que en ellos tiene lugar la fotosíntesis. En las plantas superiores los cloroplastos tienen forma lenticular, siendo sus dimensiones de 3 a 10 µm de diámetro y de 1 a 2 µm de espesor. El tamaño de los cloroplastos y su pigmentación permiten visulizarlos en el microscopio óptico, pero sin apreciar detalles estructurales. Por el contrario, al observar cortes finos al microscopio electrónico, se aprecia una ultraestructura compleja (Fig. 5) con la presencia de un sistema de doble membrana, una membrana plastidial externa lisa, que se encuentra en contacto directo con el hialoplasma y una membrana plastidial interna invaginada que penetra en la matriz incolora o estroma (medio interno del cloroplasto) constituyendo un sistema membranoso bañado por dicho estroma que da la estructura interna característica del plastidio. Entre ambas membranas plastidiales queda el llamado espacio intermembrana. Las laminillas o lamelas adoptan una disposición especial en ciertas regiones del interior del cloroplasto, constituyéndose los llamados grana, en número normalmente entre 40 y 60, y compuestos cada uno de ellos de una serie de unos 10 discos o tilacoides, amontonados unos sobre otros. Las laminillas intergrana (que no participan en la formación de los grana) delimitan cavidades aplanadas o cisternas muy variables en cuanto a su tamaño, pero que se disponen según el eje mayor del cloroplasto. Se constituye así una compleja red en el interior del cloroplasto, existiendo una continuidad en el sistema membranoso. Los tilacoides contienen las clorofilas, xantófilas y carotenos que forman el aparato captador de los fotones de luz y que realiza su transducción a energía química (ATP) y poder reductor (NADPH). El estroma es un gel con gran riqueza en enzimas responsables de la reducción del dióxido de carbono y la síntesis de los hidratos de carbono. En el estroma se encuentra además, ADN cloroplástico (circular), ARN y ribosomas, llamados plastorribosomas de menor tamaño y densidad (valor de sedimentación :70 S) que los del citoplasma que son 80 S. En ciertas condiciones metabólicas en el estroma se observa granos de almidón y gotas lipídicas. Los cloroplastos nuevos pueden formarse por división de cloroplastos funcionales preexistentes. Sin embargo los plastidios, en general, derivan ontogenéticamente de cuerpos esféricos muy pequeños, limitados por doble membrana, los proplastidios, que se encuentran en células embrionarias. Los leucoplastos y los cromoplastos se pueden originar cuando se detiene en una etapa temprana el desarrollo normal de un cloroplasto a partir de un proplastidio. Así se observa que los amiloplastos, que se encuentran normalmente en órganos de reserva, son capaces de transformarse en cloroplastos al estar expuestos a la luz. También hay evidencias que los leucoplastos y los cromoplastos pueden originarse a partir de cloroplastos que pierden sus tilacoides. Durante la maduración de frutos como tomate, pimiento, naranja en los cloroplastos desaparece el sistema de tilacoides, se pierde la clorofila y se sintetizan carotenoides (Fig. 6). 9 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - a) Tilacoides Membrana interna Membrana externa Membrana tilacoidal Grana (pila de tilacoides) Poliribosomas b) ADN del cloroplasto Tilacoide Grana Estroma Membrana tilacoidal Figura 5 : Esquema de cloroplasto en sección longitudinal. a) Vista tridimensional – b) Vista plana cloroplastos leucoplastos cromoplastos proplastidios Figura 6 : Diagrama que ilustra el ciclo de desarrollo e interconversión de los plastidios. Mitocondrias Las mitocondrias, están relacionadas con la respiración liberadora de energía y con la conversión de ésta en forma utilizable para la célula. Por lo tanto en ellas se realiza la oxidación de moléculas orgánicas, siendo el oxígeno el aceptor final de electrones en este proceso. La energía química obtenida se almacena en uniones de alta energía (adenosíntrifosfato =ATP) que se usará en otras actividades celulares. En las células vegetales las mitocondrias se presentan en general en menor número que en las células animales, debido a que en las primeras, es menor la actividad respiratoria. Su tamaño se encuentra en el límite de resolución del microscopio óptico (entre 1 y 3 µm de longitud y entre 0,5 y 1,5 µm de diámetro) y su forma es redondeada o alargada. La microscopía electrónica permite observar que, al igual que el cloroplasto, presentan doble membrana limitante, siendo la membrana externa lisa mientras que la interna se invagina a determinados niveles formando 10 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - crestas mitocondriales; éstas aumentan la superficie de esta membrana con respecto a la externa unas 5 veces (Fig. 7). En las crestas se encuentran coenzimas y citocromos encargados de transferir los electrones liberados en las oxidaciones al oxígeno y sintetizar ATP. Ambas membranas delimitan dos espacios o compartimentos: el espacio intermembrana y el espacio interno, que contiene un líquido denso llamado matriz. Esta matriz es rica en proteínas con función enzimática, ya que es el lugar donde se oxidan los compuestos orgánicos (ácido pirúvico, ácidos grasos y aminoácidos). La matriz también presenta diferentes iones, ADN circular, ARN y ribosomas, que son distintos a los del citoplasma. El ADN mitocondrial de las plantas superiores es entre 3 y 5 veces más largo que el de los animales (entre 15 y 20 µm). Este ADN lleva información genética que codifica para algunas de las proteínas y el ARN mitocondrial. Al igual que en los cloroplastos, las nuevas mitocondrias que aparecen en una célula se originan al dividirse mitocondrias funcionales preexistentes. a) Membrana Interna Crestas Membrana Externa Matriz Membrana Interna b) Espacios Intermembranas Membrana Exrerna Poliribosomas …………….. ADN Mitocondrial Crestas Figura 7: Esquema de mitocondria en sección longitudinal. – a) Vistra tridimensional. – b) Vista plana Teoría Endosimbionte Ésta es la teoría más aceptada sobre el origen filogenético de los plastidios y mitocondrias. La estructura de estos orgánulos es similar a la de las células procariotas, por lo que se presume que ambos orgánulos se originaron como procariotas de vida libre, las mitocondrias a partir de eubacterias (procariotas aerobios heterótrofos) y los plastidios de cianobacterias (procariotas fotosintéticos), que luego fueron incluidos en células eucariotas primitivas, y se estabilizaron como elementos simbióticos permanentes dentro de las células hospedantes. La prueba estructural que sustenta esta teoría es la presencia de ribosomas 70 S y ADN circular, característicos de células procariotas. (Fig. 8). 11 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Procariota heterótrofa aeróbica Célula hospedadora ancestral Procariota fotosintético DNA Mitocondria Cloroplasto Núcleo Figura 8: Diagrama que ilustra la teoría endosimbionte que trata de explicar el origen filogenético de los plastidios y mitocondias en las célula eucariota. - Figura tomada de Moore et al. Lisosomas Durante años se ha pensado que las plantas superiores, a diferencia de los organismos animales, carecían de lisosomas, hoy día resulta claro que existen en la célula vegetal compartimentos especiales limitados por una unidad de membrana, cuyo diámetro es de alrededor de 4 µm, que contienen enzimas líticas que catalizan reacciones degradativas. Estas enzimas digestivas están aisladas del resto de la célula por una membrana limitante. Se evita así la autólisis o destrucción enzimática de la célula. Vacuolas Es muy típico de las células vegetales la presencia de uno o más vacuolas, que suelen ocupar gran parte del volumen celular (Fig. 1). Estos vacuolas son más o menos grandes y de formas redondeadas y pueden representar entre el 80 y el 90 % del volumen celular; no obstante al principio del proceso de diferenciación celular suelen ser pequeños y numerosos pero luego se fusionan. Esto provoca que el citoplasma y el núcleo queden formando una fina capa periférica en la célula, tal como se observa en células parenquimáticas, y en muchos casos, el aumento de tamaño durante el crecimiento celular es resultado del aumento en el tamaño del vacuola. Los vacuolas contribuyen a controlar la turgencia celular, contienen fundamentalmente agua y están limitadas por una membrana llamada tonoplasto. En ellos se encuentran materiales de reserva o subproductos del metabolismo de la célula vegetal, ya sea en estado cristalino o en solución (sustancias ergásticas en general). 12 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Sustancias Ergásticas Las actividades celulares no sólo liberan energía para el crecimiento y la diferenciación sino que también producen materiales de reserva y de desecho. Estos materiales se denominan sustancias ergásticas. Entre los más frecuentes podemos citar: almidón, inclusiones proteicas, materiales lipídicos, cristales y taninos. Los granos de almidón son las partículas sólidas más frecuentes que la célula vegetal desarrolla dentro de los plastidios. El almidón de asimilación es un producto temporal de la fotosíntesis y se forma en los cloroplastos, mientras que el almidón de reserva se forma en los amiloplastos, los que están contenidos en células parénquimáticas de la corteza, en tejidos vasculares de tallos y raíces, en la médula de tallos, en frutos, hojas, cotiledones carnosos y en tallos modificados, como tubérculos y rizomas. Las proteínas ergásticas pueden aparecer formando cristales en el citoplasma (ej: parénquima periférico del tubérculo de papa) o acumuladas en cuerpos proteicos en los vacuolas (ej: granos de aleurona presentes en los cotiledones de Fabaceae y en la capa externa del endosperma del fruto de Poaceae). Los lípidos se almacenan en forma de aceites y grasas y son materiales de reserva comunes en semillas ( ricino) y embriones (aceituna, maní), pueden forman gotas (glóbulos lipídicos) en el citoplasma o estar contenidos en elaioplastos. También hay otros compuestos de características lípidicas que pueden ser considerados sustancias ergásticas como las ceras, suberina y cutina, que se depositan sobre las paredes celulares impermeabilizándolas. Los cristales presentes en las células vegetales son comúnmente de oxalato de calcio y se forman como productos finales de los procesos metabólicos celulares. Sin embargo, se considera probable que parte del calcio, si es necesario, pueda ser reciclado. Los cristales se forman generalmente en las vacuolas y pueden tener diversas formas, pueden ser prismáticos formar rafidios (manojo de agujas), drusas (masa esférica con numerosas proyecciones puntiagudas) o arenas cristalinas (masa de cristales muy pequeños). El aspecto y ubicación de los cristales suelen ser utilizados para la clasificación taxonómica. Los taninos son un grupo heterogéneo de derivados fenólicos que están ampliamente distribuidos en el cuerpo del vegetal. Son sustancias amarillas rojas o pardas que se localizan en el citoplasma, en los vacuolas o pueden impregnar las paredes celulares. Se les atribuye función protectora de la planta ya que es común observarlos en tejidos lesionados para impedir el crecimiento de hongos y microorganismos. Por su sabor desagradable y por sus propiedades astringentes también protegen a la planta del ataque de herbívoros. PARED CELULAR Composición. Organización: laminilla media, pared primaria y pared secundaria. Formación. Crecimiento. Conexiones intercelulares. En las plantas superiores se encuentran diferentes tipos celulares distintos en su estructura, función y también en la complejidad de la pared celular. Esta estructura es una envoltura relativamente gruesa y semirrígida que proporciona un exoesqueleto que protege al protoplasto, le confiere solidez y forma a la célula y al cuerpo de la planta en general. La existencia de dicha pared es responsable, en gran medida, de muchas de las propiedades peculiares de la célula vegetal; su constitución debe permitir el crecimiento, diferenciación celular y facilitar el intercambio pasivo de gases y soluciones con el exterior. La pared celular puede llegar a medir varias micras de espesor, tiene un orden de magnitud de 103 nm, mientras que el plasmalema tiene un espesor del orden de 7 a 8 nm. 13 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - No existe una asociación íntima entre la pared celular y el membrana plasmática como se demuestra al observar una célula deshidratada, la membrana plasmática se encoge junto con el protoplasma, mientras que la pared conserva perfectamente su forma primitiva. Composición La pared está constituida fundamentalmente por polisacaridos, aunque existe una fracción glucoproteica.no es un componente protoplasmático, sino que es el resultado de un proceso de secreción de la célula. La pared de las planta superiores es bifásica: una fibrilar: constituida por celulosa y una amorfa o matríz: altamente hidratada, donde los polisacáridos mayoritarios son las hemicelulosas y las sustancias pécticas, más una pequeña cantidad de proteínas. La fase fibrilar es inerte, discontinua y está formada por fibrillas de celulosa. La celulosa es un hidrato de carbono de cadena lineal, sin ramificar, formado por varios miles de moléculas de glucosa unidas por enlaces ß1-4. Un conjunto de moléculas de celulosa alineadas y unidas por puentes de hidrógeno constituyen una micela o fibrilla elemental. El conjunto de micelas colocadas en paralelo constituyen una microfibrilla, las cuales son visibles al microscopio electrónico. Estas microfibrillas se asocian en haces formando las macrofibrillas. (Fig. 9) Figura 9: Estructura detallada de la pared celular. - Figura tomada de ESAU K La fase amorfa, a pesar de no presentar configuración alguna al M.E, desde el punto de vista químico es sumamente compleja. Consiste en una variedad de polisacáridos y proteínas. Los polisacáridos presentes en la matriz pertenecen a dos grandes grupos: pectinas y hemicelulosas. Esta fase es continúa y se ubica entre las fibrillas de celulosa. Los compuestos pécticos son los polisacáridos más solubles de la pared, se pueden extraer con agua caliente y están formados por moléculas de azúcares ácidos (ácido péctico) y azúcares neutros, como la ramnosa, galactosa y arabinosa. Las moléculas de pectinas son muy ramificadas y el carácter ácido les permite unirse entre sí mediante puentes de Ca++ ó de Mg ++, formando redes capaces de retener agua. Mientras mayor sea la hidratación, mayor será la plasticidad de la pared celular, condición necesaria para la expansión de la pared. Las hemicelulosas son un grupo heterogéneo de carbohidratos que constan de una larga cadena compuesta por un azúcar diferente de la glucosa (xilanos, glucanos y mananos), las moléculas presentan además cadenas laterales de otros azúcares diferentes del de la cadena principal. 14 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Las proteínas de la pared son ricas en el aminoácido hidroxiprolina, que se une a azúcares como arabinosa, glucosa y galactosa. Se cree que estas glucoproteínas actúan como elementos estructurales, ya que forman cadenas capaces de unirse a otros componentes de la pared. Sin embargo, en la actualidad se desconoce su función precisa. Se ha visto que aumentan frente a heridas e infecciones por patógenos. Durante varios años se propusieron distintos modelos para relacionar entre sí todos los componentes de la pared. En la actualidad, el más aceptado es el que sintetiza mucho de los aspectos de los otros modelos y resume el papel que tienen los distintos componentes (Fig. 10). Las fibrillas de celulosa están recubiertas por hemicelulosas que se unen a ella por puentes H. Las hemicelulosas forman una cubierta resbaladiza que evita el contacto directo entre fibrilla y fibrilla. La red celulosas-hemicelulosa ésta embebida en el gel que forman las pectinas. Éstas, a su vez, están conectadas a las proteínas a través de iones (ej. Ca++, Mg++) que se unen a la fracción glucosídica de la proteína. Figura 10: Esquema que ilustra la relación entre las microfibrillas de celulosa y los componentes de la fase amorfa. - Figura tomada de Zeiger. Otras sustancias pueden formar parte de la pared celular; según su localización, se clasifican en sustancias incrustantes y adcrustantes. - Sustancias incrustantes: son las que impregnan la matriz de la pared celular. Entre ellas encontramos a la lignina; sus moléculas se disponen en forma de redes tridimensionales heterogéneas que atrapan a la celulosa. Se deposita después que la célula ha terminado de alargarse. El proceso de lignificación se inicia en la laminilla media y avanza abarcando la pared primaria y secundaria. La incorporación de lignina le otorga a la pared una gran resistencia. En el proceso evolutivo de los vegetales, la lignificación ha sido un factor que favoreció positivamente el pasaje de la vida acuática a la terrestre, porque permitió que los organismos adquirieran alta resistencia mecánica favoreciendo su supervivencia en la tierra. Otras sustancias incrustantes que pueden presentarse en la pared de la célula vegetal son los taninos, resinas, esencias y sustancias minerales (como sílice, carbonato de calcio, etc.). 15 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - - Sustancias adcrustantes: son aquellas que se depositan sobre la pared celular, ya sea por dentro (suberina, calosa) o por fuera de ella (cutina, ceras, aceites, etc.). Estas últimas normalmente son abundantes en las paredes de las células epidérmicas en contacto con el ambiente. Organización En una pared celular bien desarrollada podemos distinguir de afuera hacia adentro tres componentes estructurales: laminilla media, pared primaria y pared secundaria (Fig. 11). Como la pared es secretada por la célula viva, la capa más vieja está hacia fuera y la capa más joven hacia adentro, junto al protoplasma, demarcando el lumen o cavidad celular. Laminilla media, sustancia intercelular o cemento péctico: es el componente de unión que existe entre las paredes de células contiguas, pero está ausente donde existen espacios intercelulares. Se compone de sustancias pécticas que forman una estructura amorfa. En algunos tejidos adultos es difícil de identificar porque se vuelve extremadamente tenue. Pared primaria: Es la primera pared celular que se forma en la célula, está siempre presente, y en algunas células es la única pared que se desarrolla; se caracteriza por ser plástica, ya que en ella predomina la fase amorfa. Pared secundaría: no todas las células la desarrollan, se forma después que la célula completó su elongación y es más rígida que la primaria. Es muy refringente al microscopio, debido a la alta proporción de celulosa que presenta. La pared secundaria de traqueidas y fibras es estratificada generalmente presenta tres capas, en cada una de las cuales hay mayor cantidad de celulosa y menos fase amorfa que en la pared primaria Figura 11: Esquema que ilustra la construcción de la pared de una fibra mostrando las distintas capas que forman la pared secundaria. - Figura tomada de Esau . Formación Cuando la célula vegetal se divide durante la citocinesis comienza la formación de la placa celular en la zona central del fragmoplasto. Su desarrollo progresa hasta alcanzar la pared de la célula madre. Con microscopía electrónica se ha podido observar que la placa celular se inicia por la concentración y fusión de numerosas vesículas producidas por los dictiosomas. El contenido de las vesículas forma la laminilla media y sus membranas se fusionan formando la membrana plasmática de las células hijas, hacia cada lado de la laminilla media. Luego se deposita hacia el interior de las nuevas células, entre la laminilla media y la membrana plasmática la fase amorfa de la pared primaria por el arribo de nuevas vesículas que aportan sustancias pécticas, hemicelulosas y proteínas. A medida que la matriz aumenta de espesor se van incorporando las fibrillas elementales de celulosa que se sintetizaron en la superficie de la membrana plasmática. 16 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - La celulosa es producida por complejos de enzimas sintetizadoras denominados partículas en roseta (Fig. 12). Cada uno de estos complejos está formado por 6 partículas dispuestas en forma hexagonal de celulosa cintasa que se extienden de un lado a otro de la membrana plasmática y son los encargados de recibir las moléculas de glucosa que provienen del lado citoplasmático, y unirlos para formar la molécula de celulosa que se depositarán en la nueva pared hacia el lado externo de la membrana. La organización en roseta de estas enzimas permite que se sinteticen de manera simultánea numerosas cadenas de celulosa que quedan automáticamente alineadas y cristalizan formando las microfibrillas. Durante todo el proceso de formación de la pared celular, la orientación de las vesículas dictiosómicas y de las fibrillas de celulosa está controlada por los microtúbulos. Microfibrilla Pared celular Membrana plasmática Esquema que ilustra la síntesis de las microfibrillas de celulosa a partir del complejo enzimático ubicado en la membrana plasmática Citoplasma Roseta Microfibrilla Pared celular Esquema que muestra la disposición que pueden adoptar las fibrillas a medida que son sintetizadas Roseta Microtúbulos corticales Citoplasma Figura 12 Figura tomada de Raven et al. Crecimiento En cuanto al crecimiento de la pared celular, hay que distinguir entre crecimiento en superficie y crecimiento en espesor. El crecimiento en superficie se produce cuando la pared es sólo primaria (presenta plasticidad), conforme la célula crece, debido a la presión interna (turgencia) que está relacionada con el sistema vacuolar. Este crecimiento se produce al adicionarse nuevo material de pared. En la mayoría de las células este crecimiento afecta a toda la pared, aunque ciertos tipos de células presentan un crecimiento localizado, como las fibras y las traqueidas. Por su parte, el crecimiento en espesor tiene lugar por medio de la acumulación sucesiva de material, capa a capa, Las nuevas fibrillas pueden disponerse sobre las ya existentes (aposición) o intercalarse entretejiéndose con ellas (intususcepción) (Fig. 13). Las hormonas vegetales auxinas cumplen una función importante en el crecimiento de la 17 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - pared celular. En una primera fase provocan la liberación de protones, acidificando el medio, ablandando la pared e incrementando la plasticidad y la extensibilidad de la misma, y luego activa la síntesis de los componentes de pared al estimular la formación de precursores (fosfato, glucosa, uridina ,etc) de los polisacáridos celulósicos y no celulósicos. Formas de disposición de las fibrillas de celulosa durante el crecimiento de la pared celular 1 3 aposición intususcepción Figura 13: Diagrama que ilustra loa formas en que se pueden disponer las fibrillas de celulosa para formar parte de la pared celular. - Imagen tomada de Cortés Benavides. Conexiones Intercelulares Los citoplasmas estarían aislados y el intercambio de sustancias se haría difícil si no existiesen en la pared celular conexiones que permitiesen la comunicación entre células vecinas. Plasmodesmos Están formados por prolongaciones del RE que atraviesan la pared formando un sistema de membranas continuo entre células adyacentes (Fig. 14). La membrana plasmática de ambas células es continua a nivel de los plasmodesmos y forma una manga citoplasmática. La porción de retículo endoplásmico que atraviesa esta manga forma un tubo denominado desmotúbulo (Fig. 15). Estudios con microscopía electrónica de alta resolución han demostrado que hay proteínas globulares de enlace incrustadas en la membrana plasmática que forma la manga y en las paredes externas del desmotúbulo; éstas serían las encargadas de determinar el tamaño máximo de las moléculas que pueden desplazarse por difusión, estableciendo así un pasaje selectivo de macromoléculas. Los plasmodesmos se desarrollan sólo en paredes primarias y su diámetro varía entre 30 y 50 nm. La mayoría de ellos se forma durante la división celular, debido a la persistencia de cisternas del retículo endoplásmico en la placa celular que quedan atrapadas durante el crecimiento de la misma. También se ha visto que se pueden forman de nuevo en los lugares donde las células establecen nuevos contactos con otras células. Cuando los plasmodesmos se encuentran en grupos, se forma un campo de puntuaciones primario. 18 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Pared celular Membrana plasmática RE Desmotúbulo Plasmodesmo Figura 14: Desarrollo de plasmodesmos entre células de paredes primarias adyacentes. - Imagen tomada de Raven et al. -------------------------------------------------------------- Figura 15: Esquema de un plasmodesmo mostrando las partes que lo constituyen. Note la continuidad del RE entre las células adyacentes. - Imagen tomada de Ferrer Armosós J. Puntuaciones La inhibición de la formación de la pared secundaria, sea sobre un campo de puntuaciones primario o sobre otra zona cualquiera de la pared, da lugar a la formación de una puntuación. En una puntuación podemos distinguir una membrana de cierre formada por la laminilla de cierre y la pared primaria adelgazada y una cámara de la puntuación formada por la discontinuidad en la deposición de pared secundaria. Se distinguen dos tipos principales de puntuaciones: puntuaciones simples y puntuaciones areoladas o rebordeadas (Fig. 16 a, b). En el primer caso, los bordes de la pared secundaria se interrumpen bruscamente, mientras que en el segundo caso, los bordes de la pared secundaria se arquean sobre la cavidad de la abertura, formando un reborde (Fig. 16 b). Este tipo de conexión se presenta en células conductoras del xilema. Las puntuaciones simples se presentan en células parenquimáticas del xilema secundario, en esclereidas y en fibras extraxilares. 19 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - Generalmente, a cada puntuación le corresponde otra opuesta en la célula adyacente. A veces puede ocurrir que una puntuación areolada se corresponda con una puntuación simple, constituyéndose en este caso un par de puntuaciones semiareoladas (Fig. 17c). Tipos de puntuaciones laminilla pared secundaria media reborde de la pared abertura de la puntuación membrana de cierre secundaria cámara de la puntuación pared primaria a) P. Simple b) P. Areolada o Reborde Figura 16 Pares de Puntuaciones a) Simples b) Areoladas c) Semiareoladas Figura 17 : Diagrama que ilustran los distintos tipos de pares de puntuaciones en corte longitudinal. Perforaciones Una perforación es un orificio en la pared celular, por lo tanto está ausente la pared secundaria, primaria y laminilla media. Esta conexión se presenta en las paredes terminales de los vasos xilemáticos y de los elementos cribosos del floema. Equivalencias en el sistema métrico para longitudes 1m=10dm=102cm=103mm=106µm=109nm Las unidades de uso corriente en microscopia son: Milímetros (mm); micrómetros, micrón o micra (µm) y nanómetro (nm) 1 mm=1000 µm=1000000 nm 1 µm=1000 nm 20 - Desde la Célula a la Fotosíntesis en Plantas Superiores - BIBLIOGRAFÍA Cortés Benavides F. 1986. Cuadernos de Histología Vegetal. Editorial Marban S.A. España. Esau K. 1982. Anatomía de las Plantas con Semilla. Editorial Hemisferio Sur. Argentina. Fahn A. 1974. Anatomía Vegetal. Ediciones Blume H. España. Ferrer Amorós J.R. 1997. Las Células de los Tejidos Vegetales. Ediciones Vedrà S.L. España. Montaldi E. R. 1995. Principios de Fisiología Vegetal. Ediciones Sur. Argentina. Moore R.,Clark, W.,Stern K. 1995. Botany. C. Brown Publishers. USA. Pazourek J. and Votrubová O. 1997. Atlas of Plant Anatomy. Peres publishers. 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