Ormoni vegetali: auxina e acido abscissico (ABA) in Biologia

ORMONI

Gli ormoni agiscono modulando il metabolismo Dal punto di vista chimico gli ormoni sono molto diversi, in quanto hanno natura chimica differente Dal punto di vista funzionale tutti gli ormoni sono messaggeri e permettono nelle cellule bersaglio una modificazione nell'espressione genica Funzione: permettono di mettere in comunicazione cellule, tessuti e organi, agendo anche in siti molto distanti rispetto ai siti di sintesi (es/ da germoglio a radice) Obiettivo: coordinare e regolare eventi fisiologici delle piante (crescita, sviluppo, morfogenesi) L'ormone induce una variazione dell'espressione delle cellule bersaglio per permettere la regolazione di processi metabolici della crescita e dello sviluppo Gli ormoni nelle piante sono messaggeri secondari (come gli ioni, ROS-> che non sono tossiche in basse concentrazioni ma hanno funzione regolatoria, come il perossido di idrogeno che ha emivita lunga) -> le piante non hanno un sistema nervoso , quindi la ricezione dell'impulso e l'induzione della regolazione del metabolismo avviene grazie agli ormoni

Processi regolati dagli ormoni

Possono regolare tanti processi:

• sviluppo
• morfogenesi
• risposta di difesa a condizioni ambientali avverse
• maturazione di frutti (da un punto di vista produttivo devono essere grandi e di bell'aspetto)
• funzione nella shelf life
• Aspetti nutrizionali della pianta

Ormoni principali

Gli ormoni principali:

• big five: auxina (primo individuato), gibberelline, citochinine, acido abscissico e etilene. Questi ormoni hanno impatto sullo sviluppo della pianta
• Brassinosteroidi e strigolattone

Fasi di sviluppo della pianta

Gli ormoni regolano tutte le fasi di sviluppo della pianta :

• sviluppo del seme
• maturazione del seme
• Germinazione
• Crescita della pianta
• Crescita del fiore
• Crescita del frutto

Caratteristiche comuni degli ormoni

Caratteristiche comuni degli ormoni:

• agiscono a concentrazioni molto basse: la concentrazione a cui viene sintetizzato un ormone è fondamentale-> può avere un effetto attivatore o inibitorio a seconda della concentrazione (quasi tutti gli ormoni sono attivi a concentrazione basse)
• Agiscono in siti anche molto distanti rispetto al sito di sintesi (es/ auxina sintetizzata nel germoglio e agisce fino alla radice)
• Possono indurre risposte diverse a seconda della concentrazione o dell'organo in cui agiscono-> agiscono su diverse cellule bersaglio quindi avranno effetto diverso
• Possono avere funzioni multiple

Domande e meccanismi di azione

Domande da porsi quando si studia un ormone: dove viene sintetizzato? dove agisce? quale è il recettore? Tutti gli ormoni per poter svolgere una funzione devono essere riconosciuti da un recettore È necessario quindi il legame ormone-recettore per la trasduzione del segnale La via di trasduzione è importante ad esempio nella maturazione del frutto -> è necessario conoscere tutta la via di trasduzione affinché si possa modificare e studiare nel dettaglio l'aspetto molecolare L'obiettivo di tutta la trasduzione del segnale è di modulare l'espressione genica a livello del nucleo -> La molecola deve entrare nella cellula e deve andare a modulare l'espressione di alcuni geni bersaglio

Efficacia dell'ormone

Efficacia dell'ormone a seconda di:

• biosintesi : come e dove
• Trasporto: come avviene il trasporto dell'ormone
• Degradazione: gli ormoni si accumulano nei siti bersaglio ma sono specifici in un certo tempo, quindi dovranno essere degradati
• Presenza di recettori: riconoscimento da parte del recettore
• Efficacia della via di trasduzione del segnale

AUXINA

Fu il primo ormone identificato dal punto di vista della sua presenza già dal 1880 da Darwin e poi nel 1926 dal punto di vista più chimico da Went 1880 osservazione del movimento fototropismo del coleottile di una graminacea Esperimento effettuato sulle plantule delle graminaceae La coleottile è la prima parte aerea che emerge dal seme ed è l'involucro che racchiude la foglia Darwin osservò che esponendo i coleottili a una luce blu unidirezionale (lateralmente), questo si piegava verso la sorgente luminosa Per capire come avvenisse questa crescita unidirezionale, Darwin fece delle prove :

• recise l'apice del coleottile: notò che la crescita verso sorgente luminosa veniva meno-> non si aveva più la curvatura verso la sorgente.
• Mantiene la presenza dell'apice ma lo ha coperto con un cappuccio opaco, in modo che l'apice non fosse esposto alla luce. Non si aveva comunque curvatura quindi scoprì che a livello dell'apice la pianta era in grado di percepire la crescita unidirezionale e di permettere la curvatura verso la sorgente luminosa. L'apice trasferisce quindi il segnale luminoso alla sottostante zona di crescita , dove una maggiore distensione delle cellule sul lato buio era infatti responsabile della curvatura del coleottile verso la luce -> una serie di successivi esperimenti portò alla luce il fatto che nella risposta fototropica fosse coinvolto un fattore chimico, solubile e traslocabile in grado di stimolare la crescita della piante, inoltre questo messaggero doveva essere sintetizzato a livello dell'apice nella parte più basale Coleottile Luce blu Luce blu Luce blu

Esperimento del 1913 sulla natura del messaggero

Esperimento del 1913-> scoperta della natura del messaggero: Vennero posti dei blocchi solidi di natura lipidica e altri blocchi di natura gelatinosa-acquosa, tra la parte apicale e basale Funzione dell'esperimento : il messaggero prodotto a livello apicale poteva a seconda del passaggio attraverso il blocco solido o gelatinoso permetteva di capire la natura chimica del messaggero

• In presenza di blocco solido (lipidica) non avveniva la curvatura, quindi non poteva essere molecola gassosa o di natura apolare
• In presenza di blocco gelatinoso, invece avveniva la curvatura; questo sta a significare che il messaggero è sicuramente di natura idrofilica in quanto non atraversa lo strato lipidico ma quello gelatinoso Infine Went nel 1926 ha purificato la prima AUXINA con nome di IAA (acido indol-3-acetico) > estra zione Ponendo blocchetti al di sotto degli apici per incorporare messaggero secondario Spettro della luce: la curvatura dovuta all'aumento della distensione cellulare della zona esposta al buio dove si aveva un accumulo di auxina -> in relazione accumulo di auxina e distensione cellulare Ci sono diversi tipi di auxina: la più diffusa è IAA , poi IBA, acido fenilacetico ecc ... Le auxine sono talmente tanto funzionali che sono state anche sintetizzate artificialmente, infatti esistono auxina sintetiche come la 24D (in laboratorio ad esempio viene utilizzato x stimolare crescita di cellule di tabacco) Funzione delle auxine sintetiche è identica a quella delle auxine naturali, infatti legano il recettore delle cellule bersaglio per permettere la trasduzione del segnale Antiauxine: strutturalmente simile a 24D , ma la caratteristica chimica è che si legano al recettore impedendone il legame con l'Auxina -> funzione inibitoria competitiva

SITI DI BIOSINTESI DI AUXINA

SITI DI BIOSINTESI DI AUXINA La biosintesi di auxina avviene nei meristemi e nei tessuti giovani -> quindi avviene a livello di gemme, apice de germoglio e radici, giovani foglie e semi in via di sviluppo Come viene sintetizzata l'Auxina? Attraverso:

• più vie triptofano dipendenti . una via triptofano indipendente (predominante) La via triptofano indipendente è quella per la sintesi dell' IPAA:

1. indol-3-glicerolo-fosfato (precursore del triptofano) viene convertito in IPA (intermedio) grazie a una amminotransferasi
2. grazie ad una flavina-monossigenasi viene trasformata l' IPA ad IPAA IAA auxina naturale più abbondante che in forma libera è nella forma fisiologicamente attiva Tuttavia le auxine possono essere coniugate (legame covalente) a molecole di diversa natura, la coniugazione è un evento reversibile -> rottura del legame covalente rilasciando IAA in forma attiva A Via triptofano- indipendente Vie triptofano- dipendenti OH CH2OPO2. COOH OH NH Indol-3-glicerolo fosfato Triptofano TAA1 Via dell'acido indol-3-piruvico Via della triptammina Via dell'indol-3- acetammide IPA TAM IAM COOH NH2 O N N H H H YUC COOH N H Acido indol-3-acetico IAA Perossidasi B IAA - Indoli decarbossilati IAA-glucosio IAA-inositolo IAA-glucani IAA-glicoproteine IAA attivo CO2 IAA-Asp OxIAA-Asp Catabolismo Coniugazione reversibile .batihn trintafano-dipende N H N H

Funzioni della coniugazione dell'auxina

Funzioni della coniugazione: l'auxina coniugata essendo inattiva può essere accumulata come forma di riserva Nel momento in cui serve auxina è più veloce rompere la coniugazione per rendere l'ormone disponibile rispetto che sintetizzarla. Le protegge anche da ossidazione

• I coniugati sono più resistenti alla degradazione permettendone l'accumulo nei semi e negli organi di riserva
• Alcuni coniugati indirizzano la auxina verso la degradazione: le funzioni dell'ormone dipendono dal momento di sviluppo della pianta o dallo stress ambientale, ma è anche concentrazione dipendente, sarà necessaria quindi la degradazione

TRASPORTO DELL'AUXINA

TRASPORTO DELL'AUXINA Dopo la biosintesi è necessario il trasporto dell' auxina IAA deve essere trasportato lungo la pianta per svolgere la sua funzione di trasduzione del segnale Trasporto può essere: . non polare: comune anche agli altri ormoni. Trasporto molto rapido fin a 5/10 cm/h. È un trasporto che segue il flusso floematico-> è un trasporto quindi che va dalla parte apicale a parte basale. · polare : caratteristico dell' auxina. Trasporto più lento che richiede energia che si traduce nella idrolisi di ATP e ha una direzione:

1. basipeta nel fusto (da apice verso il suolo)
2. acropeta verso la radice (dal seme verso l'apice della radice). In realta in radice può avvenire anche direzione basipeta. Questo trasporto polare è indipendente dalla gravità: indipendentemente dalla gravita il flusso di auxina e quindi le radici si formano nella stessa direzione. Il trasporto non avviene soltanto in direzione longitudinale nel fusto ma anche lateralmente Il trasporto polare avviene grazie a specifici trasportatori di efflusso e influsso dell' auxina con una distribuzione non omogenea sulle membrane plasmatiche delle cellule bersaglio Questo trasporto segue la teoria chemiosmotica IAA si trova a livello dell'apoplasto dove grazie dell'attività dell'H+ ATP-asi si ha un PH acido=5 -5,5 -> aumento della concentrazione di H+ In queste condizioni IAA è presente in due forme:

• Forma protonata IAAH (35%): in grado di diffondere liberamente attraverso la membrana plasmatica e passa quindi dall'apoplasto al citosol.
• Forma deprotonata IAA- (75%): non diffonde liberamente nella membrana plasmatica, quindi l'ingresso avviene grazie a specifici trasportatori di influsso chiamati AUX1: permettono l'ingresso di IAA- con co-simporto con due H+. I trasportatori AUX1 sono localizzati prevalentemente sulla zona superiore della membrana plasmatica -> quindi IAA- entrano dalla membrana superiore All'interno del citosol si ha PH neutro, quindi IAA è presente principalmente nella forma IAA- , quindi necessita di un trasportatore di efflusso per uscire dalla cellula Ci sono specifici trasportatori di efflusso denominati PIN (forma a spillo) -> a livello della porzione basale della membrana basale di cellule di tessuto specifica (alcuni) -> quindi si ha trasporto polare perché l'auxina entra esclusivamente dalla porzione apicale ed esce dalla porzione basale della membrana ATP ATP -H+ H+ ADP H ADP ATP ADP IAA- IAA- IAA- pH 5.5 IAAH IAA- H Membrana plasmatica PH 7 IAAH ATP -H+ 1 ADP IAA-+ H+ Parete cellulare IAA- Vacuolo ATP H+ ADP - H Direzione del trasporto polare e gradiente di IAA IAA- ATP ADP