UNITATEA DE NVARE 2

ELEMENTE DE CITOFIZIOLOGIE VEGETAL Fiziologia celular sau citofiziologia studiaz fenomenele vieii ce se petrec n interiorul celulei. Ea constituie capitolul fundamental al fiziologiei, deoarece toate manifestrile vitale au loc n materia vie celular. Din acest motiv cunoaterea vieii celulare poate oferi cheia tuturor manifestrilor fiziologice de care sunt capabile organismele vii. Celula posed toate nsuirile unui organism viu, capabil s duc o via independent. Acest lucru este dovedit nu numai prin existena organismelor monocelulare, ci i prin posibilitatea de a recolta celule din organismele pluricelulare care, cultivate pe medii artificiale, cresc, se nmulesc i dau natere la plante ntregi; s-au obinut astfel experimental culturi de celule, pornindu-se de la o singur celul sau de la un fragment minuscul de esut. Celula este un sistem termodinamic deschis; ea face schimb permanent de substane cu mediul n care triete, transform substanele asimilate i energia n procesul de metabolism. Forma celulelor vegetale este foarte diferit: forma sferic se ntlnete la bacterii (coci); forma poliedric-izodiametric, apropiat de cea sferic este caracteristic esutului meristematic din vrfurile de cretere ale rdcinii i tulpinii; celulele din esuturile liberiene sunt fuziforme, iar cele din esuturile conductoare, mecanice i n unele esuturi absorbante i secretoare (laticiferele) sunt tubulare. Dimensiunile celulelor vegetale variaz ntre 10 m i 50 cm (fibrele

21 liberiene) sau chiar mai muli metri (laticiferele nearticulate de la unele specii dinElemente de citofiziologie vegetal

familia Euphorbiaceae), valorile medii fiind de aproximativ 10 - 100 m. Morfologia extern a celulelor vegetale este rezultatul influenei condiiilor de via de care beneficiaz celulele n cadrul esutului din care fac parte. n acelai timp, forma i mrimea celulelor corespund funciei fiziologice pe care acestea trebuie s o ndeplineasc n esutul respectiv. Celula procariot - a aprut - ca organism elementar - cu 3,5-4 miliarde de ani n urm. Celulele procariote nu conin organite bine difereniate de tipul nucleului, mitocondriilor, cloroplastelor etc. Informaia genetic este inclus n unicul cromozom, care const dintr-un lan de macromolecule de ADN, sub form de inel. Coninutul celulei const din citoplasm dens i o regiune nuclear traversat de macromolecula de ADN. La cianobacterii ntlnim membrane sub form de inele, ce particip la procesul de fotosintez. Aceste membrane conin n stare difuz clorofil "a" i ficocianin (pigmenii implicai n procesul de fotosintez). Celula procariot mai conine ribozomi - organite rspunztoare de sinteza proteinelor. Nu s-au evideniat alte structuri interne, ceea ce nu nseamn ns c aceste celule sunt lipsite de posibiliti biochimice multiple. Din contra, s-au observat la acest nivel 500-1000 reacii biochimice. Celula eucariot este de cteva ori mai mare, comparativ cu celula procariot, fapt ce constituie o dovad n plus c ea reprezint o etap superioar n evoluia general a sistemelor vii (vezi fig. 3 i 4; fig. 8). Mrirea dimensiunilor celulelor, precum i perfecionarea structurii lor au fost nsoite de creterea cantitii de ADN, care a dus la creterea i perfecionarea unei arhitecturi complet noi de distribuire a materialului ereditar. Pentru celula eucariot este caracteristic o organizare mult mai complex dect pentru cea procariot, din care probabil a provenit. n ea ntlnim deja "o distribuire a funciilor", datorit diferenierii macro- i microstructurilor celulare. Celula este acoperit cu o membran citoplasmatic (plasmalem), iar celula vegetal mai dispune nc de o anvelop celular (de natur celulozic), numit

Elemente de citofiziologie vegetal

22

perete. Partea principal a celulei o constituie coninutul intern - protoplasma - n care au loc cele mai importante procese vitale. Protoplasma unei celule dintr-un esut viu comunic cu protoplasma celulelor nvecinate, a cror totalitate formeaz organismul pluricelular. Comunicarea se realizeaz prin plasmodesme (fire protoplasmatice). Protoplasma const din citoplasm, n care se afl organite celulare: nucleul, plastidele, mitocondriile etc., organite ce pot fi observate la microscopul optic. Alturi de acestea, n hialoplasm mai exist o serie de structuri submicroscopice cum ar fi: aparatul Golgi, reticulul endoplasmatic, ribozomii, microtubulii etc., fiecare organit celular avnd o structur i o ultrastructur specific i, bine neles, funcii specifice. Caracteristice pentru celula vegetal matur sunt, de asemeni, vacuolele sau vacuola unic, pline sau plin cu suc celular, la care se adaug diferite incluziuni solide (granule de aleuron, granule de amidon .a.). Funciile organitelor celulare se studiaz "in vitro", dup separarea lor prin metoda ultracentrifugrii. CITOPLASMA Citoplasma (vezi fig. 3, 4, 8) este masa fundamental a protoplasmei vii, n care sunt incluse organitele celulare. Ea este componenta esenial a celulelor vii, aflndu-se n stare fluid i n nentrerupt micare; coagularea sa determin ncetarea manifestrilor vitale i, implicit, moartea celulei. Substanele organice ce constituie elemente de constituie ale citoplasmei sunt: proteine hidrofile, fosfolipide, acizi nucleici etc. Marea varietate de proteine existente n citoplasm determin funcii metabolice i enzimatice caracteristice, ce imprim specificitate. n celulele tinere spaiul citoplasmatic este cuprins ntre membrana plasmatic extern (plasmalem) i nveliul nuclear.

Elemente de citofiziologie vegetal

23 n celulele mature, cu vacuole mari, citoplasma reprezint un strat subire,

cuprins ntre membrana plasmatic extern (tonoplastul), ce se mrginete cu anvelopa celular celulozic (peretele) i cea intern, ce se mrginete cu vacuola. Prima membran plasmatic, care regleaz ptrunderea i ieirea substanelor din celul a fost denumit de ctre W. PFEFFER, n 1877, plasmalem, iar membrana plasmatic ce nconjur vacuolele celulelor vegetale a primit denumirea de tonoplast. Alturi de membranele plasmatice amintite, n componena citoplasmei intr

Fig. 8- Celul din mezofilul foliar prezentnd principalele sisteme membranare i peretele celular (d. Buchanan i colab., 2000)

hialoplasma cu organitele citoplasmatice. Hialoplasma este o mas transparent, omogen i aparent lipsit de

Elemente de citofiziologie vegetal

24

structur, numit i matrice citoplasmatic. Plasmalema (vezi fig. 3 i 8) are proprieti selective. Ea controleaz activitatea celulei, absorbia i excreia unor substane i joac un rol important n procesul de nutriie a celulei cu ioni minerali, prin schimb ionic. Tonoplastul (vezi fig. 3 i 8) nconjur vacuolele celulelor vegetale i este o membran plasmatic de tip biologic, lipoproteic, ca i plasmalema. El se deosebete ns de plasmalem prin structur, compoziie chimic cantitativ i prin gradul diferit de permeabilitate. ORGANITELE CITOPLASMATICE Reticulul endoplasmatic (R.E.) (fig. 9) este un sistem complex de caviti (sacule, cisterne, vezicule sau tubuli ori canalicule fin ramificate i anastomozate., iar n celulele mai vrstnice un sistem de "cisterne" turtite i lite) n hialoplasm, toate delimitate de citosol prin membrane simple, elementare, lipo-proteice, asemntoare ca structur cu plasmalema.Fig. 9 - Schema ultrastructurii reticulului endoplasmatic: m. meat; p.c. perete celular; pls. plasmodesme (d. Buvat, 1969)

Lumenul cisternelor i tubulilor comunic cu spaiul perinuclear al anvelopei nucleare i cu porii acesteia. n membranele R.E. neted (vezi fig. 3 i 8) se formeaz hidrai de carbon, lipide, terpenoizi, iar n cel granular (vezi fig. 3 i fig. 8) proteine, enzime, substane absolut necesare procesului de sintez a produilor de tipul polizaharidelor, din componena peretelui celular etc. Aparatul Golgi (fig. 10), numit astfel n memoria omului de tiin italian care l-a descoperit, este alctuit din uniti morfologice denumite dictiozomi. Acetia sunt formaiuni lamelare,

25 formate din 2-10 sacule sau cisterne, cu aspect de discuri suprapuse, aproximativElemente de citofiziologie vegetal

circulare, unite la centru.Fig. 10 - Schema ultrastructurii unui dictiozom: r.t.G. reeaua trans Golgi; sc. - sacule; vz. vezicule (d. Kaussmann, 1989)

Din punct de vedere funcional, aparatul Golgi este legat de activitatea secretoare a protoplasmei.

Ribozomii (vezi fig. 3 i 8) sunt particule ultrastructurale de natur ribonucleoproteic, lipsii de membran, cu dimensiuni de 150-300 ; au fost evideniai de savantul romn G. E. PALADE n 1953 n omogenatele hepatice i n ultraseciuni celulare i de ctre E. ROBINSON i R. BROWN n celulele rdcinii de bob. Ribozomii sunt rspndii n toat celula (n citoplasm): la suprafaa nucleului, n interiorul cloroplastelor i al mitocondriilor sau chiar se afl liberi n citoplasm. Funcia fiziologic principal a ribozomilor este legat de participarea lor n procesul de sintez a proteinelor. Ribozomii liberi particip la sinteza proteinelor implicate n procesul de difereniere celular, la sinteza unor proteine cu funcii specifice, precum i la sinteza enzimelor proteolitice. Ribozomii adereni la membranele R. E. de tip rugos sau pe faa extern a membranei nucleare sunt implicai n procesele de sintez a proteinelor destinate secreiei celulare. Condriozomii (fig. 11) - sunt cunoscui azi ca principalii centri energetici (de respiraie) ai celulei. n general, condriozomii sunt prezeni att n celulele vegetale, ct i n cele animale dar lipsesc la bacterii. n condriozomi se acumuleaz cele mai mari cantiti de A.T.P. din celul i tot aici are loc fenomenul de oxidare a metaboliilor, proces ce furnizeaz energiaFig. 11 - Schema ultrastructurii mitocondriei: a.mt. anvelopa mitocondriei; c.mt. creste mitocondriale; str. stroma mitocondrial (d. Kaussmann., 1989 )

Elemente de citofiziologie vegetal

26

necesar transformrilor metabolice. Numrul condriozomilor dintr-o celul este proporional cu intensitatea metabolismului acesteia. Condriozomii reprezint deci "uzina biochimic (energetic)" a celulei, n care se elibereaz energia incorporat n substanele energetice de natur organic (n etapa final a ciclului Krebs), energie ce se acumuleaz n legturi macroergice fosfatice de tip ATP, prin procesul de fosforilare oxidativ. ATP-ul reprezint sursa universal de energie a celulei. Lizozomii (vezi fig. 3 i 8) sunt organite citoplasmatice sferice sau ovoidale, cu o membran lipo-proteic simpl, asemntoare cu plasmalema. Ei sunt bogai n enzime, n special hidrolaze acide. Intervin n hidroliza substanelor de rezerv din celulele endispermului, n procesul de germinare al seminelor. Peroxizomii se ntlnesc n numr mare n celulele mezofilului foliar, fiind dispui frecvent alturi de cloroplaste, cu care se pare c vin chiar n contact. Funcia peroxizomilor const n aceea c peroxidaza i catalaza coninute n ei scindeaz H2O2 n O i H2O i prin aceasta organitele respective intervin n procesul de respiraie celular, att n celulele mezofilului plantelor, ct i n celulele ficatului i rinichiului la mamifere. Glioxizomii i manifest activitatea n momentul germinrii seminelor bogate n grsimi, cnd apar n aceste semine numeroi glioxizomi ce conin enzime specifice ciclului acidului glioxilic (izocitrat liaza i malat sintetaza); ele particip n mod activ la procesul de transformare a grsimilor n glucide, ntr-un proces de glicoliz invers (gluconeogenez). De asemenea, ei reprezint principalul organit celular n care are loc biodegradarea acizilor grai, prin procesul de - oxidare. Plastidele sunt organite permanente de mare importan pentru celula vegetal (vezi fig. 3 i 8). Totalitatea plastidelor incluse n citoplasma celulei formeaz plastidomul celular. Plastidele lipsesc din celulele animale i din unele cianobacterii i bacterii, dar chiar i din cele ale unor macroorganisme (ciuperci i chiar plante superioare). n anul 1883 A. SCHIMPER a descris cele trei tipuri de plastide existente n

27 celul, innd cont n special de absena sau prezena culorii: leucoplastele - plastideElemente de citofiziologie vegetal

incolore, cloroplastele - plastide verzi i cromoplastele (sau plastide colorate (n alte culori dect verde).

carotenoplastele) -

a) Cloroplastele sunt organite specializate, cu rol n procesul de fotosintez, rspndite n toat masa citoplasmei, prezente doar n celulele vegetale. La microscopul optic apar ca nite gruncioare verzi ovoidale, turtite; uneori au aspect de halter. Mrimea lor este relativ constant pentru acelai tip celular, aprnd ns deosebiri sexuale, genetice sau ecologice, n legtur cu acest parametru. Aa de exemplu ele sunt mult mai mari la plantele de umbr, dar i coninutul lor n clorofil este mai mare, comparativ cu indivizii crescui n lumin intens. Ultrastructural, cloroplastul este format din (fig. 12): anvelopa plastidial - format din dou membrane elementare, separate de un spaiu clar; stroma sau matricea - ce constituie substana fundamental cu ribozomi, ADN, granule de amidon, picturi lipidice n ea; sistemul de lamele; incluziuni reprezentate prin globule lipidice i granule de amidon.

Fig. 12 - Schema ultrastructurii cloroplastului (d. Berg, 1997)

Cloroplastele reprezint sediul sintezei primare a substanelor organice n procesul de fotosintez i au o anumit autonomie n interiorul celulei, datorit ADNului propriu.

Elemente de citofiziologie vegetal

28 Conform prerii unor cercettori, cloroplastele au fost bacterii fotosintetizante

care, devenind simbionte intracelulare, au conferit celulelor capacitatea de fotosintez ("Teoria Serial a Endosimbiozei"). b) Cromoplastele au o structur asemntoare cu cea a cloroplastelor i sunt colorate n galben, portocaliu, rou sau n nuane intermediare, datorit prezenei n stroma lor a unor pigmeni din grupa carotenoizilor: carotenul portocaliu, xantofila - galben; licopenul - rou etc. Din combinarea acestor pigmeni rezult culorile specifice ale petalelor florilor, ale fructelor, frunzelor sau ale unor rdcini. c) Leucoplastele sunt plastide incolore, ntlnite n celulele meristematice, n citoplasma sporilor i a gameilor femeli, n semine, tuberculi, rdcini i n majoritatea organelor incolore la angiosperme. Leucoplastele se ntlnesc, de asemeni, la plantele superioare adaptate la parazitism, care au pierdut proprietatea de fotosintez, precum i n algele diatomee marine. Sub influena luminii ele sunt capabile s formeze structuri tilacoidice i s capete culoarea verde. Dintre alte plastide, amintim: amiloplastele (n care se depoziteaz grase ) sau proteoplastele ( n care se depoziteaz proteine). Nucleul (vezi fig. 3 i 8; fig. 13) descoperit n 1833 de ctre BROWN, se consider astzi c este un component prezent permanent n toate celulele vegetale i animale. Celulele care au nucleu difuz, neindividualizat strict, se numesc procariote, iar celulele cu nucleu bine individualizat se numesc eucariote. Rolul fundamental al nucleului n viaa celulei este de a transmite caracterele ereditare n timpul diviziunii celulare i de a coordona funciile ca substane de rezerv amidonul), oleoplastele (n care se depoziteaz substane

Elemente de citofiziologie vegetal

29

vitale ale acesteia.. Vacuola (vezi fig. 3, 6, 8) este o component nevie a celulei, plin cu suc vacuolar, deosebit de important pentru celula vegetal adult. Celulele meristematice sunt lipsite de o vacuol unic i voluminoas, vizibil la microscopul fotonic; aici ele apar foarte mici, vizibile doar la microscopul electronic, dup o colorare cu colorani vitali. n procesul creterii i dezvoltrii celulei vegetale se observ formarea de vacuole mari; pe msura maturizrii celulelor, vacuolele mici se contopesc, se mresc n volum, iar la sfritul procesului de difereniere se formeaz o vacuol mare central, care ocup aproape toat cavitatea celular. Forma i distribuia vacuolelor n celul variaz n funcie de starea fiziologic a celulei, de vrsta ei, de tipul celular i de aciunea diferiilor factori de mediu. Aa de exemplu, referindu-ne la aciunea factorilor de mediu, dac unele celule epidermice cu o vacuol mare sunt nepate de anumite insecte, vacuola se mparte n mai multe vacuole mici. Rolul fiziologic al vacuolelor implic: Depozitarea substanelor osmotic active (ioni, glucide solubile, acizi organici etc), care genereaz presiunea osmotic i potenialul de membran. Prin modificarea turgescenei vacuolei se determin micrile de nchidere i deschidere a stomatelor, precum i micrile unor organe ale plantelor (nastii). Odat cu apariia filogenetic a vacuolelor s-au format i mecanisme ce regleaz i determin turgescena. Apariia fenomenului de turgescen a constituit o achiziie important n evoluia plantelor, conferind indivizilor vegetali o rigiditate mai mare, necesar n aciunea lor de cucerire a uscatului. Apariia vacuolei face posibil crearea n interiorul celulei vegetale a unui mediu apos cu o compoziie specific, deosebit de cea a mediului extern. Concentraia molar corespunztoare acestui suc, procesul de semipermeabilitate a tonoplastului, nconjurarea vacuolei de un strat de citoplasm,Fig. 13 - Imagine electron microscopic a nucleului celular (N) la celule de Vicia faba L., evideniind membrana nuclear dubl (NE) i nucleolul situat central (NU) (d. Buchanan i colab., 2000)

30 ct i prezena plasmalemei, toate acestea permit vacuolei s funcioneze ca unElemente de citofiziologie vegetal

osmometru, ce joac un rol important n turgescena i n stabilitatea celulei (fig. 14). PERETELE CELULAR Este un constituent neviu, caracter esenialFig. 14 Reprezentarea schematic a gradului de aprovizionare cu ap a celulei vegetale: A - celul turgescent; B - stadiul de plasmoliz incipient; C - stadiul de plasmoliz avansat (concav); D - stadiul de deplasmoliz (d. Strasburgher, 1998)

care

reprezint un de

difereniere a celulei vegetale de

celula animal. Majoritatea celulelor vegetale sunt acoperite de un perete celulozic rezistent, cptuit la interior de plasmalem (vezi fig. 3, 8). n regnul vegetal sunt puine celule lipsite de un perete celulozic, celulele numindu-se n acest caz nude, cum sunt zoosporii i gameii (celulele reproductoare de la plantele inferioare). Peretele celular este un constituent solid, relativ rigid, cu o elasticitate limitat. Totalitatea pereilor celulozici dintr-un esut poate fi imaginat ca o reea dens de lamele sau fibre ce alctuiesc un schelet al esutului respectiv, al organului din care face parte esutul sau chiar al ntregului organism. Peretele celular este permeabil pentru ap i se mbib cu aceasta, permind intrarea apei i a diferitelor substane macro- i micromoleculare n celul, precum i ieirea apei din celul, fenomene implicate n procesul de plasmoliz. Principala lui funcie este corelat cu rigiditatea sa relativ i const n aportul mecanic, de susinere a formei celulei, din acest motiv numindu-se perete scheletic. Peretele celular are i rol de protecie a protoplasmei. El permite creterea celulei, precum i schimbul de gaze i de substane nutritive cu celulele nvecinate. El permite, de asemenea, intrarea i ieirea apei din celul, prin spaiile dintre microfibrilele celulozice, care constituie apoplastul celular.

Elemente de citofiziologie vegetal

31

ntrebri: Care sunt funciile peretelui celular i cum se mai numete acesta la Enumerai organitele citoplasmatice vii i, separat, organitele celula vegetal? (motivai denumirea). ciptoplasmatice nevii din structura celulei vegetale.

Tem:

Prezentai succint, pe baza bibliografiei propuse, principalele

caracteristici funcionale ale celueli vegetale.