12) Calcio E Altri Ti Nv

IL CALCIO Catione divalente, fino al 10% del peso secco. Localizzazione nella pianta: Apoplasto: - Legato a gruppi R-COO- (pectati di calcio e reostasi, frazione scambiabile) - Legato ai fosfati dei fosfolipidi di membrana (funzionalità della membrana e permeabilità selettiva) Simplasto: - Vacuoli → anioni organici (ossalato, malato) e anioni inorganici (nitrato, cloruro) - Reticolo endoplasmatico - Cloroplasti e mitocondri - Bassissimo nel citosol: 0.1-0.2 µM di Ca2+ libero Prevenzione precipitazione con fosfato (sottrazione del fosfato al metabolismo del citosol)

COMPARTIMENTALIZZAZIONE!

Prevenzione competizione con Mg2+ e inibizione degli enzimi che usano ATP. Funzione di messaggero intracellulare

parete cellulare plasmalemma

vacuolo rel

lamella mediana

Compartimentalizzazione del calcio: calcio il calcio libero nel citosol è veramente molto basso! Il calcio svolge nella pianta un duplice ruolo: RUOLO STRUTTURALE: Capacità di coordinare vari leganti a causa della sua carica positiva → legami intermolecolari stabili ma reversibili → pareti e membrane. RUOLO FUNZIONALE: FUNZIONALE Secondo messaggero nella trasduzione del segnale fra fattori ambientali e risposta delle piante in termini di crescita e sviluppo.

Come fa la cellula a mantenere così bassa la concentrazione di calcio libero nel citosol? 1) Bassa permeabilità di membrana 2) Attività dei trasportatori di membrana (pompe ATPasiche del calcio ed antiporto Ca2+/H+) che lo prelevano dal citosol e lo depositano nell’apoplasto o negli organelli.

vacuoli, rel, mitocondri e cloroplasti

La differenza di concentrazione fra citosol e vacuolo è dell’ordine di 105.

Grazie a questa enorme differenza di concentrazione, il calcio può essere usato come secondo messaggero intracellulare (anche negli animali).

Evento

Via di segnalazione

es.: crescita stress ambientali patogeni ecc…

Risposta Regolazione dell’espressione genica!

Produzione di ormoni Variazione del potenziale di membrana Ecc..

Mediatore della via di segnalazione

CALCIO

Adattamento

RISPOSTA

REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA!

Sintesi di opportune proteine capaci di mediare la “risposta”

Trascrizione e traduzione genica sono processi che si articolano in più punti ed ognuno di questi può essere “regolato” per variare quali-quantitativamente le proteine espresse secondo necessità.

Trasporto nel citosol

Start: Fattori trascrizionali Decondensazione della cromatina Ecc…

Trascritto primario (stabilità)

Trascritto primario (splicing)

Vari livelli di “controllo” a livello della trascrizione Segnale e poi attivazione di proteine che interagiscono con gli ac. nucleici e con i vari “fattori trascrizionali”

Anche a livello della traduzione vi sono vari livelli di “controllo”

Stabilità del messaggero Ecc…

Stabilità della proteina nascente Folding adeguato Modificazioni post-traduzionali (es. P) Ecc…

In ultima analisi, ciò che viene regolato è il “corredo” proteico della cellula in quantità e qualità:

Δ [proteine funzionali] e quindi del metabolismo cellulare in base alla risposta che deve essere generata.

LA VIA DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE MEDIATA DAL CALCIO EVENTO

Sensing del Δ [Ca2+]

Percezione dell’evento Sistema di sensing

Produzione di un segnale Es. rilascio di un ormone

Attivazione di opportune proteine e generazione di un segnale interno alla cellula: Δ [Ca2+]

Percezione del segnale Es. legame dell’ormone con un opportuno recettore di membrana

RISPOSTA!!!

Qualcosa del genere…….

Ruolo del calcio

Step 1: La molecola segnale si lega al proprio recettore di membrana Step 2: Il recettore di membrana così attivato può legare le proteina G

α

β γ

GDP

Step 3: La proteina G viene così attivata, rilascia il GDP e lega il GTP Step 4: Il legame con il GTP fa attivare la proteina G, le subunità inibitorie βγ si sganciano e rimane G attiva che può adesso attivare uno specifico target.

Step 5: L’enzima target attivato svolge la sua specifica funzione

Step 6: Gα ha attività GTPasica, dopo un certo gap di tempo idrolizza quindi il GTP a GDP inattivandosi e riassociandosi a βγ. Interruttore molecolare: molecolare necessità di un segnale modulabile acceso/spento.

Molecola segnale → Recettore → Proteina G → Enzima target

Vediamo adesso chi è l’enzima target attivato per la via di segnalazione che prevede il calcio come messaggero intracellulare.

Il target è rappresentato dall’enzima

FOSFOLIPASI C (PLC), che idrolizza un particolare tipo di fosfolipidi in posizione C. Inserzione di una molecola di acqua e idrolisi del legame estere.

A

Acidi grassi

B

C

D P

Residuo polare

Glicerolo Fosfato

Lo specifico fosfolipe idrolizzato dalla PLC è il fosfatidil inositolo bis-fosfato (PIP2)

L’azione della PLC provoca rilascio nel citosol di inositolo tris-fosfato e nella membrana di diacilglicerolo. diacilglicerolo

DAG

IP3

Il DAG va ad attivare la ProteinChinasi C (PKC) che fosforila opportuni substrati, li attiva o disattiva, e genera una risposta.

L’IP3 media il rilascio del calcio nel citosol

Come fa l’IP3 a mediare il rilascio del calcio?

L’IP3 si lega ai canali del calcio di vacuolo, reticolo endoplasmatico, ecc.. e li apre. Il calcio esce dagli organelli a causa della grande differenza in concentrazione di questo ione che esiste fra organelli e citosol. Lo spike di calcio citoplasmatico è comunque subito riabbassato dall’azione delle pompe del calcio presenti sia sul plasmalemma che sulle membrane degli organelli (tossicità + modulazione). modulazione Una domanda…

Se il secondo messaggero è sempre il calcio, come possono differenziarsi i differenti segnali?

DIFFERENTI SEGNALI → → → DIFFERENTI FREQUENZE!!! FREQUENZE

Ca2+

Ca2+

t

t

Importanza del mantenimento di una bassa concentrazione citosolica di calcio e della sua compartimentalizzazione. IP3 → ciclo chinasi/fosfatasi che riformano il PIP2 con chiusura dei canali. Modulazione acceso /spento. LITIO

Come fa lo spike di calcio a produrre una risposta? Proteine sensibili al calcio (con dominio caM-like ed attività chinasica), ma soprattutto:

CALMODULINA → recettore intracellulare del calcio Proteina di circa 150 aminoacidi, costituita da due teste globulari unite da una α-elica, con 4 siti di legame per il calcio ad elevata affinità.

Legami e mutamenti conformazionali: quando la CaM lega il calcio assume una nuova conformazione, espone la sua porzione idrofobica centrale e prende contatto con altre proteine attivandole → risposta. risposta Fra i numerosi bersagli: Pompe del calcio per lo spegnimento del segnale e la possibilità di rispondere di nuovo. Proteinchinasi CaM dipendenti che fosforilano altre proteine target fra cui delle fosfatasi sempre per lo spegnimento del segnale.

Caratteristica di queste vie di segnalazione è l’amplificazione durante la via di segnalazione stessa:

Cascata del segnale

Infatti gli ormoni hanno ampi effetti già a basse concentrazioni.

IL FOSFORO E’ uno dei pochi elementi che rimane in forma ossidata come fosfato, fosfato sotto tale forma viene anche assorbito dal terreno.

FUNZIONI: Ruolo strutturale Es. Acidi nucleici

Es. Fosfolipidi di membrana

Ruolo nel trasferimento di energia Esteri fosforici con legami P-P ad alta energia I) Energetica della cellula (accoppiamento con reazione energeticamente sfavorite) ATP

Anche GTP, UTP….

II) Reazioni di fosforilazione per attivazione o cambiamento conformazionale Adenosina-P-P-P

HO-R

Adenosina-P-P

P-O-R

1) Fosforilazione per attivazione

P-O-R

Adenosina-P-P-P

P-P

2) Adenilazione per attivazione

Adenosina-P-P-O-R

ATP

ADP Chinasi

Enzima

Enzima-P

Fosfatasi P

Ca2+ CaM

H2 O

3) Fosforilazione per regolazione tramite cambiamento del folding

Ruolo nella regolazione metabolica sintesi dell’amido Es. metabolismo del carbonio saccarogenesi glicolisi

FORMA DI RISERVA DEL FOSFATO Polifosfati (vacuolo, anche riserva energetica, raro)

Fitati (vacuolo, frequente, fitina se salificato)

Ac. fitico

Fitina

Quando le riserve di fitati devono essere mobilitate, L’enzima FITASI idrolizza i legami estere fra gli –OH ed i fosfati liberandoli.

Carenza di P nel terreno: diminuzione della crescita, ma cloroplasti pieni di amido I. Come mai?

In condizioni di carenza di P, la nutrizione “fosforica” della pianta può essere migliorata attraverso la MICORRIZZAZIONE delle radici.

IL MAGNESIO Assorbito dal suolo direttamente come Mg2+ Ruolo strutturale Es. clorofilla Rubisco Pectati Ribosomi RNA polimerasi Ecc….

Bilancio osmotico

Ponte!

Ruolo funzionale Attivazione di enzimi (es. rubisco) Coordinazione ATP

Vacuoli Cloroplasti (grana per il bilancio di carica)

IL POTASSIO Assorbito dal terreno come K+. Alta mobilità nella pianta. Bilancio osmotico Vacuolo Grana Floema Pressione radicale Stomi e pulvini

Attivazione di enzimi Cambiamenti conformazionali Binding del tRNA ai ribosomi Regolazione pH

Estensione cellulare Osmoregolazione Bilancio cationi-anioni

Crescita