Estructura de los plasmodesmos y su ubicación dentro de las células vegetales.- Los plasmodesmos permiten que las moléculas viajen entre las células vegetales a través de la vía simplásica .
Los plasmodesmos (singular: plasmodesma ) son canales microscópicos que atraviesan las paredes celulares de las células vegetales [2] y de algunas células de algas , permitiendo el transporte y la comunicación entre ellas. Los Plasmodesmata evolucionaron de forma independiente en varios linajes, [3] y las especies que tienen estas estructuras incluyen miembros de Charophyceae , Charales , Coleochaetales y Phaeophyceae (que son todas algas), así como todos los embriofitos , más conocidos como plantas terrestres. [4] A diferencia de las células animales , casi todas las células vegetales están rodeadas por una pared celular de polisacárido . Por lo tanto, las células vegetales vecinas están separadas por un par de paredes celulares y la laminilla media intermedia , formando un dominio extracelular conocido como apoplasto . Aunque las paredes celulares son permeables a pequeñas proteínas solubles y otros solutos , los plasmodesmos permiten el transporte directo, regulado y simplástico de sustancias entre las células. Hay dos formas de plasmodesmos: plasmodesmos primarios, que se forman durante la división celular, y plasmodesmos secundarios, que pueden formarse entre células maduras. [5]
Estructuras similares, llamadas uniones comunicantes [6] y nanotubos de membrana , interconectan células animales [7] y se forman estrómulos entre los plastidios en las células vegetales. [8]
Los plasmodesmos primarios se forman cuando fracciones del retículo endoplásmico quedan atrapadas a través de la laminilla media a medida que se sintetiza una nueva pared celular entre dos células vegetales recién divididas. Con el tiempo, estas se convierten en las conexiones citoplasmáticas entre las células. En el sitio de formación, la pared no se engrosa más y se forman en las paredes depresiones o áreas delgadas conocidas como hoyos . Los hoyos normalmente se emparejan entre celdas adyacentes. Los plasmodesmos también se pueden insertar en las paredes celulares existentes entre células que no se dividen (plasmodesmos secundarios). [9]
La formación de plasmodesmos primarios ocurre durante la parte del proceso de división celular donde el retículo endoplásmico y la nueva placa se fusionan, este proceso resulta en la formación de un poro citoplasmático (o manga citoplasmática). El desmotúbulo, también conocido como RE adpreso, se forma junto al RE cortical. Tanto el RE adpreso como el RE cortical están muy juntos, por lo que no dejan espacio para ningún espacio luminal. Se propone que el RE adpreso actúe como una ruta de transporte de membrana en los plasmodesmos. Cuando los filamentos del RE cortical se entrelazan en la formación de una nueva placa celular, se produce la formación de plasmodesmos en las plantas terrestres. Se plantea la hipótesis de que el ER adprimido se forma debido a una combinación de presión de una pared celular en crecimiento y la interacción de las proteínas ER y PM. Los plasmodesmos primarios suelen estar presentes en áreas donde las paredes celulares parecen ser más delgadas. Esto se debe al hecho de que a medida que la pared celular se expande, la abundancia de plasmodesmos primarios disminuye. Para expandir aún más la densidad plasmodésmica durante el crecimiento de la pared celular, se producen plasmodesmos secundarios. El proceso de formación de plasmodesmos secundarios aún no se comprende completamente; sin embargo, se dice que varias enzimas degradantes y proteínas ER estimulan el proceso. [10]
Una célula vegetal típica puede tener entre 1.000 y 100.000 plasmodesmos que la conectan con células adyacentes [11], lo que equivale a entre 1 y 10 por μm 2 . [12] [ verificación fallida ] Los plasmodesmos tienen aproximadamente 50 a 60 nm de diámetro en el punto medio y están formados por tres capas principales: la membrana plasmática , la funda citoplasmática y el desmotúbulo . [11] Pueden atravesar paredes celulares de hasta 90 nm de espesor. [12]
La porción de la membrana plasmática del plasmodesma es una extensión continua de la membrana celular o plasmalema y tiene una estructura bicapa de fosfolípidos similar . [13]
La vaina citoplasmática es un espacio lleno de líquido encerrado por el plasmalema y es una extensión continua del citosol . A través de este espacio se produce el tráfico de moléculas e iones a través de plasmodesmos. Las moléculas más pequeñas (por ejemplo, azúcares y aminoácidos ) y los iones pueden pasar fácilmente a través de los plasmodesmos por difusión sin necesidad de energía química adicional. Las moléculas más grandes, incluidas las proteínas (por ejemplo, la proteína fluorescente verde ) y el ARN, también pueden atravesar la funda citoplasmática de forma difusa. [14] El transporte plasmodesmático de algunas moléculas más grandes se ve facilitado por mecanismos que actualmente se desconocen. Un mecanismo de regulación de la permeabilidad de los plasmodesmos es la acumulación del polisacárido calloso alrededor de la región del cuello para formar un collar, reduciendo así el diámetro del poro disponible para el transporte de sustancias. [13] A través de la dilatación, la activación activa o la remodelación estructural, se aumenta la permeabilidad de los plasmodesmos. Este aumento en la permeabilidad de los poros de los plasmodesmos permite que moléculas o macromoléculas más grandes , como moléculas de señalización, factores de transcripción y complejos de ARN-proteína, se transporten a varios compartimentos celulares. [10]
El desmotúbulo es un tubo de retículo endoplásmico adpreso (aplanado) que discurre entre dos células adyacentes. [15] Se sabe que algunas moléculas se transportan a través de este canal, [16] pero no se cree que sea la ruta principal para el transporte plasmodesmático.
Alrededor del desmotúbulo y la membrana plasmática se han observado áreas de un material denso en electrones, a menudo unidas por estructuras en forma de radios que parecen dividir el plasmodesma en canales más pequeños. [15] Estas estructuras pueden estar compuestas de miosina [17] [18] [19] y actina , [18] [20] que forman parte del citoesqueleto de la célula . Si este es el caso, estas proteínas podrían usarse en el transporte selectivo de moléculas grandes entre las dos células.
Se ha demostrado que los plasmodesmos transportan proteínas (incluidos factores de transcripción ), ARN de interferencia corto , ARN mensajero , viroides y genomas virales de una célula a otra. Un ejemplo de proteínas de movimiento viral es el virus del mosaico del tabaco MP-30. Se cree que MP-30 se une al propio genoma del virus y lo transporta desde las células infectadas a las no infectadas a través de los plasmodesmos. [14] La proteína T del locus de floración se mueve desde las hojas hasta el meristemo apical del brote a través de los plasmodesmos para iniciar la floración . [21]
Los plasmodesmos también son utilizados por las células del floema , y las células compañeras utilizan el transporte simplástico para regular las células del tubo criboso . [ cita necesaria ]
El tamaño de las moléculas que pueden atravesar los plasmodesmos está determinado por el límite de exclusión de tamaño. Este límite es muy variable y está sujeto a modificación activa. [5] Por ejemplo, MP-30 puede aumentar el límite de exclusión de tamaño de 700 daltons a 9400 daltons, ayudando así a su movimiento a través de una planta. [22] Además, se ha demostrado que el aumento de las concentraciones de calcio en el citoplasma, ya sea por inyección o por inducción en frío, constriñe la apertura de los plasmodesmos circundantes y limita el transporte. [23]
Existen varios modelos para un posible transporte activo a través de plasmodesmos. Se ha sugerido que dicho transporte está mediado por interacciones con proteínas localizadas en el desmotúbulo y/o por chaperonas que despliegan parcialmente las proteínas , permitiéndoles pasar a través del pasaje estrecho. Un mecanismo similar puede estar involucrado en el transporte de ácidos nucleicos virales a través de los plasmodesmos. [24] [ ¿ fuente poco confiable? ]
Se han sugerido varios modelos matemáticos para estimar el transporte a través de plasmodesmos. Estos modelos han tratado principalmente el transporte como un problema de difusión con algunos obstáculos adicionales. [25] [26] [27]
Los plasmodesmos unen casi todas las células de una planta, lo que puede provocar efectos negativos como la propagación de virus. Para comprender esto, primero debemos observar los componentes del citoesqueleto, como los microfilamentos de actina, los microtúbulos y las proteínas miosina, y cómo se relacionan con el transporte de célula a célula. Los microfilamentos de actina están vinculados al transporte de proteínas de movimiento viral a los plasmodesmos que permiten el transporte de célula a célula a través de los plasmodesmos. El marcado fluorescente para la coexpresión en hojas de tabaco mostró que los filamentos de actina son responsables de transportar las proteínas del movimiento viral a los plasmodesmos. Cuando se bloqueó la polimerización de actina, se produjo una disminución en la dirección de los plasmodesmos de las proteínas de movimiento en el tabaco y se permitió que componentes de 10 kDa (en lugar de 126 kDa) se movieran entre las células del mesófilo del tabaco . Esto también afectó el movimiento de moléculas de célula a célula dentro de la planta de tabaco. [28]
Los virus descomponen los filamentos de actina dentro del canal de plasmodesmos para poder moverse dentro de la planta. Por ejemplo, cuando el virus del mosaico del pepino (CMV) ingresa a las plantas, puede viajar a través de casi todas las células mediante la utilización de proteínas de movimiento viral para transportarse a través de los plasmodesmos. Cuando las hojas de tabaco se tratan con un fármaco que estabiliza los filamentos de actina, la faloidina, las proteínas de movimiento del virus del mosaico del pepino no pueden aumentar el límite de exclusión de tamaño de los plasmodesmos (SEL). [28]
Se encuentran grandes cantidades de proteínas miosina en los sitios de los plasmodesmos. Estas proteínas participan en la dirección de cargas virales a los plasmodesmos. Cuando se probaron formas mutantes de miosina en plantas de tabaco, la proteína viral dirigida a los plasmodesmos se vio afectada negativamente. La unión permanente de la miosina a la actina, inducida por un fármaco, provocó una disminución del movimiento de una célula a otra. Los virus también pueden unirse selectivamente a las proteínas de miosina. [28]
Los microtúbulos tienen un papel importante en el transporte de ARN viral de célula a célula. Los virus utilizan muchos métodos diferentes para transportarse de una célula a otra y uno de esos métodos asocia el dominio N-terminal de su ARN para localizarlo en los plasmodesmos a través de microtúbulos. En plantas de tabaco inyectadas con virus del mosaico del tabaco que se mantuvieron a altas temperaturas, hubo una fuerte correlación entre las proteínas de movimiento TMV marcadas con GFP y los microtúbulos. Esto provocó un aumento en la propagación del ARN viral a través del tabaco. [28]
La regulación y estructura de los plasmodesmos están reguladas por un polímero de beta 1,3-glucano conocido como callosa. La callosa se encuentra en las placas celulares durante el proceso de citocinesis, pero a medida que este proceso se completa, los niveles de callosa disminuyen. [ cita necesaria ] Las únicas partes ricas en callosa de la célula incluyen las secciones de la pared celular donde están presentes los plasmodesmos. Para regular lo que se transporta a través de los plasmodesmos, debe estar presente calosa. La callosa proporciona el mecanismo por el cual se regula la permeabilidad de los plasmodesmos. Para controlar lo que se transporta entre diferentes tejidos, los plasmodesmos sufren varios cambios conformacionales especializados. [10]
La actividad de los plasmodesmos está vinculada a procesos fisiológicos y de desarrollo dentro de las plantas. Existe una vía de señalización hormonal que transmite señales celulares primarias a través de los plasmodesmos. También hay patrones de señales ambientales, fisiológicas y de desarrollo que muestran relación con la función de los plasmodesmos. Un mecanismo importante de los plasmodesmos es la capacidad de cerrar sus canales. Se ha demostrado que los niveles de callosa son un método para cambiar el tamaño de la apertura de los plasmodesmos. [29] Los depósitos de callosa se encuentran en el cuello de los plasmodesmos en las nuevas paredes celulares que se han formado. El nivel de depósitos en los plasmodesmos puede fluctuar, lo que muestra que hay señales que desencadenan una acumulación de callosa en los plasmodesmos y hacen que los plasmodesmos se cierren o se abran más. Las actividades enzimáticas de la beta 1,3-glucano sintasa y las hidrolasas están implicadas en los cambios en el nivel de celulosa de los plasmodesmos. Algunas señales extracelulares cambian la transcripción de las actividades de esta sintasa y la hidrolasa. Arabidopsis thaliana tiene genes de callosa sintasa que codifican una subunidad catalítica de B-1,3-glucano. Los mutantes con ganancia de función en este acervo genético muestran una mayor deposición de callosa en los plasmodesmos y una disminución en el tráfico macromolecular, así como un sistema radicular defectuoso durante el desarrollo. [28]