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Apunte Teórico VACUOLAS Y SUSTANCIAS ERGÁSTICAS
Ofelia Ana Naab 2006
VACUOLAS VEGETALES
En las células meristemáticas (tejidos de crecimiento), las membranas del retículo endoplasmático son relativamente escasas y están enmascaradas por los numerosos ribosomas que llenan el citosol. De esta manera, en las células indiferenciadas la mayoría de los ribosomas se hallan libres. El gran desarrollo del retículo endoplasmático durante la diferenciación celular se relaciona con la intensa hidratación que experimenta el citoplasma. Este proceso da lugar a enormes vacuolas que son en realidad lisosomas secundarios, que se llenan de líquido y que pueden confluir entre sí. Como resultado, el citosol a veces queda reducido a una fina capa por debajo de la membrana plasmática y con numerosos plasmodesmos atravesados por túbulos del REL. Recordemos que los lisosomas se clasifican según su diversidad anatómica (morfológica) en dos categorías: lisosomas primarios (sólo contienen enzimas hidrolíticos) y lisosomas secundarios (contienen enzimas hidrolíticos y sustratos en vías de digestión). Los primeros tienen contenido de aspecto homogéneo, son de tamaño más pequeño. Los lisosomas secundarios son las vacuolas vegetales y las vacuolas digestivas formadas por endocitosis en algunas células animales. Estos lisosomas secundarios son de contenido más heterogéneo y diverso puesto que ello depende de la naturaleza de los sustratos y del estado de digestión en el que se encuentren y además son a menudo muy voluminosos como las vacuolas vegetales, cuya membrana se denomina tonoplasto. La cantidad y el tamaño de las vacuolas depende del tipo de célula y del estadio de desarrollo. La mayoría de las células vegetales adultas contiene, por lo menos, una vacuola interna limitada por membrana. La única excepción conocida la constituyen las células del tapete en las anteras. En células meristemáticas hay muchas vacuolas pequeñas que forman el vacuoma. Las vacuolas derivan de vesículas del Retículo endoplasmático rugoso, que son transportadas a través del Aparato de Golgi y clasificadas en su cara trans. Una sola vacuola puede ocupar hasta el 80 % del volumen de una célula vegetal madura limitando el protoplasma a una delgada capa parietal. A veces hay varias vacuolas y el citoplasma se presenta como una red de finos cordones llamados trabéculas conectados a la delgada capa de citoplasma que rodea al núcleo. La membrana que limita la vacuola, el tonoplasto es selectivamente permeable, e interviene especialmente en el mantenimiento de la turgencia celular y en el crecimiento. La habilidad de las vacuolas de captar y almacenar agua permite crecer a las plantas, con muy poca gasto de material. Se piensa que la vacuolización permitió a los vegetales ocupar tierra firme al poder contar las células con un generoso depósito de agua. Membrana de las vacuolas Las membranas lipo-proteicas de las vacuolas aíslan a las hidrolasas del resto de la célula las que no digieren a la membrana (no se sabe por qué razones). Esas membranas son permeables al agua y a pequeñas moléculas (aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos) y poseen bombas de protones (que aseguran el mantenimiento de un pH bajo en el interior) y proteínas canal de Cl -.
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Contenido de las vacuolas El contenido de las vacuolas es el jugo celular y está constituido por agua y una variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos: a. iones diversos b. hidrolasas ácidas como la fosfatasa ácida c. sustancias de reserva como azúcares (sacarosa), aminoácidos y proteínas d. de desecho como cristales, taninos y sales captadas en exceso por las plantas e. venenos (alcaloides y determinados glucósidos) que sirven a la planta de defensa contra los herbívoros; f. ácido málico en plantas CAM g. pigmentos hidrosolubles como antocianas (rojo, violeta, azul), que dan su color característico a muchos órganos: coloración otoñal del follaje, pétalos de malvón, rosa, petunia, frutas como uvas, ciruelas, cerezas, hojas pardo-rojizas como repollos, raíces como la de la remolacha azucarera. Las betacianinas dan colores rojizos a las flores de Bougainvillea , Portulacaceae y Cactaceae. Sirven para atraer a los insectos polinizadores y también como protectores frente a la radiación. Funciones de las vacuolas vegetales a) Acción en la degradación de sustratos Las vacuolas actúan como lisosomas, orgánulos digestivos capaces de digerir sustratos de origen endógeno produciendo una autofagia para de esa manera descomponer y reciclar los componentes de orgánulos innecesarios. Al igual que los lisosomas, las vacuolas tienen un pH ácido, que se mantiene por la acción de la bomba de protones y una proteína canal de Cl - en la membrana de la vacuola, y contienen una batería de enzimas degradativas. En las algas verdes y en muchos microorganismos como las levaduras se encuentran organelas de almacenamiento similares. Pequeñas vacuolas se fusionan con los orgánulos que deben desaparecer, y los digieren por medio de las enzimas hidrolíticas que contienen.
Vacuolas Autofágicas. Origen y función 2
b) Acción en el mantenimiento de la turgencia celular Al igual que la mayoría de las membranas celulares, la membrana de la vacuola es permeable al agua pero poco permeable a las pequeñas moléculas que almacena. Su membrana contiene sistemas de transporte activo que bombean iones al interior. De este modo, la concentración de solutos es mucho mayor en el interior de la vacuola que en el citosol o los fluidos extracelulares y el agua tiende a desplazarse por flujo osmótico hacia el interior de la vacuola. Este ingreso de agua en la célula desde la pared (vía citosol) produce la expansión de la vacuola, lo que crea presión hidrostática o turgencia dentro de la célula. Esta presión se contrarresta con la resistencia mecánica de la pared celular. La mayoría de las células vegetales tiene una turgencia de 5-20 atmósferas (atm); sus paredes celulares deben tener resistencia suficiente para resistir contra esa presión en forma controlada. La presión ejercida por turgencia en la vacuola no sólo suministra apoyo mecánico a los tejidos blandos de una planta, sino que también proporciona la fuerza necesaria para estirar la pared celular y permitir que las células vegetales aumenten de volumen, función esta que se detalla en el siguiente punto. c) Acción en el alargamiento (crecimiento) celular : A diferencia de las células animales, las células vegetales se alargan con gran rapidez, a velocidades de 20-75 µm/h. Esta elongación, que suele acompañar el crecimiento de la planta, tiene lugar cuando un segmento bastante elástico de la pared celular se estira por la presión creada por el agua captada por la vacuola. El crecimiento celular puede tener lugar sin que aumente de tamaño el citosol. Para poder alargarse, las células con paredes primarias se deben tornar más laxas debido a la acción de unas proteínas de la pared, las elastinas. Sobre éstas proteínas actúan las auxinas (hormonas vegetales), que permiten la expansión de la pared en una dirección particular cuando la turgencia celular producida por la vacuola produce presión hacia el exterior celular. El aumento del volumen celular sólo se debe a la expansión de la vacuola por captación de agua. La hipótesis que explica el alargamiento celular es la hipótesis del crecimiento ácido , según la cual, las auxinas estimulan el bombeo de protones en el extremo “en crecimiento” de la membrana celular. En consecuencia, el pH de la pared celular en esa región disminuye de su valor normal (7,0) hasta 4,5. Este pH bajo activa una clase de proteínas de la pared, las expansinas , que alteran los puentes de hidrógeno entre las microfibrillas de celulosa y tornan más laxa la estructura laminada de la pared celular. Así, debido a la menor rigidez de la pared, la célula se puede elongar. SUSTANCIAS ERGÁSTICAS
Su nombre proviene del griego "ergon", trabajo, es decir que son productos del metabolismo celular, de reserva o de desecho, que se acumulan en la pared celular, en las vacuolas o en plastidios. Son sustancias orgánicas o inorgánicas productos del metabolismo e incluyen cristales, gotas de lípidos, gomas, taninos, resinas y otros componentes que pueden contribuir a la defensa del organismo, al mantenimiento de la estructura celular o constituir sustancias almacenadas. Pueden aparecer y desaparecer durante la vida celular lo que indica algún nivel de participación en procesos celulares. Se pueden localizar en el protoplasma, en las vacuolas o en la pared celular. a. Carbohidratos 3
La hemicelulosa se acumula en la fase amorfa de la pared celular. El almidón es el carbohidrato de reserva de las plantas superiores, es el más abundante en el mundo vegetal después de la celulosa; se acumula en los amiloplastos. El almidón se encuentra en células parenquimáticas de corteza, médula y tejidos vasculares de tallos y raíces; en el parénquima de frutos, hojas, rizomas, tubérculos o cotiledones carnosos y en el endosperma de las semillas. Se obtiene almidón comercial de Manihot esculenta (mandioca), Solanum tuberosum (papa), y del tronco de la palmera sago, Metroxylon sagu . b. Cristales Los animales eliminan el exceso de materiales inorgánicos mientras que las plantas depositan en su mayoría este material en sus tejidos. Se forman generalmente en las vacuolas, y se los considera como productos de excreción, aunque se ha comprobado que en ciertos casos el calcio es reutilizado. Son muy variados en forma, composición y tamaño. La formación de cristales está controlada por las células, frecuentemente con núcleos poliploides, citoplasma rico en vesículas, plastidios pequeños. La cristalización está asociada con algún tipo de sistema de membranas: se forman complejos membranosos en el interior de la vacuola, que luego originan las cámaras en las que se desarrollan los cristales. También pueden formarse en vesículas derivadas de los dictiosomas o del RE o producidas por invaginación de la membrana plasmática (Franceschi & Horner Jr., 1980). Se presentan como oxalato cálcico (muy abundante), carbonato cálcico o malato cálcico (más raros). La presencia o ausencia y la forma de los mismos son caracteres taxonómicos importantes. En las plantas no se localizan al azar sino en lugares concretos: hipodermis, haces vasculares. Oxalato de Calcio :
es el componente más común de los cristales vegetales, y resulta de la acumulación intracelular de calcio. Los cristales tienen forma de arena cristalina , de agujas en los rafidios , columnas en los estiloides (Eichhornia crassipes ), prismática en los cristales prismáticos simples o compuestos: las drusas.
Las drusas tienen numerosas caras y puntas muy agudas. Normalmente hay una por célula y tienen entre 5-10 nm de diámetro. Los rafidios son muy finos, largos y afilados y se presentan agrupados en gran número formando un haz dentro de la célula. Tienden a hacer los tejidos no palatables a los herbívoros. Los estiloides son más raros, tienen la misma forma que los rafidios pero se encuentran aislados o en parejas dentro de la célula. Son muy grandes y casi siempre deforman a la célula que los contiene. El aspecto y la localización de los cristales puede tener importancia taxonómica. En Nymphaea las astroesclereidas foliares presentan cristales prismáticos entre las paredes primarias y secundarias (Franceschi & Horner Jr., 1980). En las cámaras de aire del tallo de Myriophyllum hay cristales que aparentemente son extracelulares, pero con MEB se ve que inicialmente están rodeados por la pared celular. Carbonato de calcio : no son comunes en las plantas superiores. Generalmente están asociados con las paredes celulares formando cistolitos, dentro de células especiales, los litocistos o “células 4
roca” y sobre un pedúnculo celulósico silicificado, por ejemplo el presente en células de hoja de Ficus sp. Un litocisto puede contener uno o varios cistolitos. La forma del cristal tiene valor taxonómico. Se desarrollan normalmente en células epidérmicas. El carbonato cálcico puede aparecer también como incrustaciones en la pared celular: calcificación. Dióxido de silicio : son muy comunes en ciertas células de la epidermis de monocotiledóneas formando cuerpos de sílice (en Ciperáceas y gramíneas) y estégmatos (en otras Familias de plantas). Tienen formas muy precisas (sombrero, rectangulares, arenosa, cónicas, o amorfas) y se localizan en lugares concretos . En las gramíneas se presentan en las llamadas células silícicas donde se forman cuerpos de sílice de forma característica generalmente amorfos, no angulares. La sílice suele depositarse en la pared celular (silificación). Esquemas de cristales de oxalato de calcio
a
b
c
a.- Rafidio en Eichhornia . b.- Estiloide en Eichhornia . c.- Drusa en Myriophyllum.
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a.-Drusa
oleander ).
(Nerium
b.-Rafidios (raíz de vainilla-Orchidaceae). c.-Células silíceas (epidermis de Schizachyrium sp.). d.- Cristal prismático (Turnera ). e.Drusas en Myriophyllum .
d
e
a b Cistolito en Ficus sp.: a.- Con Microscopía óptica. b.- Con MEB. c. Proteínas En las semillas, las proteínas de reserva se almacenan temporalmente en lisosomas secundarios (vacuolas) antes de ser digeridas en el momento de la germinación. Estos lisosomas particulares forman inclusiones llamadas granos de aleurona. Esas proteínas son sintetizadas en el RE rugoso, de donde pasan a los dictiosomas y luego confluyen en grandes vacuolas con proteína de reserva. Estas vacuolas contienen un cuerpo proteico sólido o grano de aleurona a la madurez del tejido de reserva (por ejemplo en los cotiledones de semillas de Leguminosas y en la capa de aleurona del cariopse de las Gramíneas). Cada grano de 6
aleurona está limitado por el tonoplasto (membrana de la vacuola), y puede tener una matriz amorfa, o una matriz que incluye un cristaloide proteico y un globoide amorfo no proteico. En los tejidos donde se presenta este almacenamiento, las células poseen una o más vacuolas o lisosomas secundarios. Ellos son derivados de vacuolas más pequeñas en los que la célula incorporó moléculas sintetizadas, principalmente proteínas y fitatos (hexafosfatos de un polialcohol cíclico, el inositol). A menudo, se produce una separación de los constituyentes en el interior de las vacuolas: los fitatos insolubles se reúnen en masas esféricas, los globoides, que se bañan en una matriz proteica donde se encuentran los fitatos solubles. En algunas especies, como en el pepino o el lino, una de las proteínas de la matriz cristaliza en una inclusión de forma poliédrica: el cristaloide. Formación y evolución de los granos de aleurona El Aparato de Golgi es esencial en las células vegetales para la secreción. Sus cisternas se llenan de productos secretorios, los cuales se concentran y finalmente se eliminan al exterior. Estas vesículas secretorias son muy abundantes en las células que sintetizan mucílago. También el Aparato de Golgi participa en el transporte de proteínas de depósito, como la vinicilina y la legumina en los cotiledones de ciertas leguminosas y la zeína en el endosperma de maíz. Estas y otras proteínas se localizan en organoides especiales, denominados cuerpos proteicos o granos de aleurona. Las vacuolas vegetales se fragmentan inicialmente en vacuolas más pequeñas en las que se acumulan las reservas: proteínas y fitatos. Aún no se sabe la manera en que pasan las reservas al interior, pero este almacenamiento conduce a la formación de gránulos de aleurona. En la matriz proteica, además de las reservas hay hidrolasas ácidas cuya actividad está inhibida durante todo el período de almacenamiento de las reservas. Durante la germinación, los tejidos de la semilla se rehidratan y así las hidrolasas son activadas y catalizan la digestión de las reservas en pequeñas moléculas que son utilizadas por el embrión en desarrollo. En este período los granos de aleurona aumentan de volumen, luego se fusionan entre ellos y dan lugar a las vacuolas típicas en las que los residuos de matriz proteica de los globoides se encuentran en vías de digestión. En razón de esto, los granos de aleurona representan estados intermedios de la diferenciación de las vacuolas de ciertas células vegetales, es decir de la diferenciación de sus lisosomas. d. Grasas, aceites y ceras Son sustancias ergásticas comercialmente importantes. Las grasas y aceites son formas de almacenamiento de lípidos; en forma de gotas en el citoplasma (glóbulos lipídicos) o en los elaioplastos. Son frecuentes en la pulpa de la aceituna, en los cotiledones del girasol y del maní. Las células del endosperma del ricino ( Ricinus communis ) presentan una vacuola central cargada de aceite. Las ceras se encuentran generalmente como capas protectoras de la epidermis. Se observan al MO tiñéndolos con colorantes lipófilos como Sudán III o Sudán IV. e. Taninos
Son un grupo heterogéneo de derivados fenólicos, muy frecuentes en el cuerpo vegetal, aparecen en las vacuolas como gránulos finos o gruesos, o cuerpos de formas variadas, de color amarillo, rojo o marrón, o pueden impregnar las paredes.
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Abundan en hojas, tejidos vasculares, peridermis, frutos inmaduros, cubiertas seminales y tejidos patológicos. Impiden el crecimiento de hongos y microorganismos cuando ocurren lesiones en el duramen y el ritidoma. Producen la astringencia de los frutos inmaduros. Tienen importancia comercial en la industria de la curtiembre. Pueden estar en células especiales, idioblastos tánicos o en las células epidérmicas.
Granos de Aleurona en endosperma de Ricino.
Idioblastos tánicos
f. Mucílagos Son comunes en plantas desérticas y absorben agua en gran cantidad. Bibliografía Berkaloff, A., Bourguet, J., Favard, P. & J.C. Lacroix. 1987. Biología y Fisiología Celular. Tomo II. Omega, Barcelona. De Robertis (h.) – Hib – Ponzio. 2005. Biología Celular y Molecular . Ed. El Ateneo, Buenos Aires. Esau, K. 1982. Anatomía de las plantas con semilla. Editorial Hemisferio Sur. Franceschi, V. R. & H.T. Horner Jr. 1980. Calcium oxalate crystals in plants. Bot. Rev. 46 (4): 361- 427. Lodish, H., Berk, A. Zipursky, S.L., Matsudaira, P., Baltimore, D. & J. Darnell. 2003. Biología Celular y Molecular . Ed. Médica Panamericana, Buenos Aires. Raven, P.H., Evert, R.F. & Eichhorn, S.E. 1991. Biología de las plantas. Editorial Reverté, Barcelona. Strasburger, E. y col. 1994. Tratado de Botánica . 8ª ed. castellana. Ediciones Omega S.A. Pagina web: http://www.upv.es/
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