Estructura de un plasmodesmo y su localización dentro de las células vegetales- Los plasmodesmos permiten que las moléculas viajen entre las células vegetales a través de la vía simplástica .
Los plasmodesmos (singular: plasmodesma ) son canales microscópicos que atraviesan las paredes celulares de las células vegetales [2] y algunas células de algas , lo que permite el transporte y la comunicación entre ellas. Los plasmodesmos 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 , mejor conocidos como plantas terrestres. [4] A diferencia de las células animales , casi todas las células vegetales están rodeadas por una pared celular de polisacáridos . Por lo tanto, las células vegetales vecinas están separadas por un par de paredes celulares y la lámina 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 células. Hay dos formas de plasmodesmos: los plasmodesmos primarios, que se forman durante la división celular, y los plasmodesmos secundarios, que pueden formarse entre células maduras. [5]
Estructuras similares, llamadas uniones en hendidura [6] y nanotubos de membrana , interconectan las células animales [7] y se forman estrómulos entre los plástidos en las células vegetales. [8]
Los plasmodesmos primarios se forman cuando fracciones del retículo endoplasmático quedan atrapadas a través de la lámina media a medida que se sintetiza una nueva pared celular entre dos células vegetales recién divididas. Estas eventualmente se convierten en las conexiones citoplasmáticas entre las células. En el sitio de formación, la pared no se engrosa más y se forman depresiones o áreas delgadas conocidas como hoyos en las paredes. Los hoyos normalmente se aparean entre células adyacentes. Los plasmodesmos también pueden insertarse 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 endoplasmático y la nueva placa se fusionan, este proceso da como resultado la formación de un poro citoplasmático (o manga citoplasmática). El desmotúbulo, también conocido como RE adprimido, se forma junto con el RE cortical. Tanto el RE adprimido como el RE cortical están empaquetados firmemente juntos, por lo que no dejan lugar para ningún espacio luminal. Se propone que el RE adprimido actúa como una ruta de transporte de membrana en los plasmodesmos. Cuando los filamentos del RE cortical se enredan 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 RE adprimido se forma debido a una combinación de presión de una pared celular en crecimiento e interacción de las proteínas del RE y de la PM. Los plasmodesmos primarios a menudo están presentes en áreas donde las paredes celulares parecen ser más delgadas. Esto se debe a que, a medida que la pared celular se expande, la abundancia de plasmodesmos primarios disminuye. Para expandir aún más la densidad de plasmodesmos 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 del RE 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 50-60 nm de diámetro en el punto medio y están construidos de tres capas principales, la membrana plasmática , la manga 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 de bicapa de fosfolípidos similar . [13]
El manguito citoplasmático es un espacio lleno de líquido encerrado por el plasmalema y es una extensión continua del citosol . El tráfico de moléculas e iones a través de los plasmodesmos ocurre a través de este espacio. Las moléculas más pequeñas (por ejemplo, azúcares y aminoácidos ) y los iones pueden pasar fácilmente a través de los plasmodesmos por difusión sin la necesidad de energía química adicional. Las moléculas más grandes, incluidas las proteínas (por ejemplo, la proteína fluorescente verde ) y el ARN, también pueden pasar a través del manguito citoplasmático de forma difusa. [14] El transporte plasmodesmático de algunas moléculas más grandes se facilita mediante mecanismos que actualmente se desconocen. Un mecanismo de regulación de la permeabilidad de los plasmodesmos es la acumulación del polisacárido calosa 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 compuerta 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 más grandes, o macromoléculas , 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 corre 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 de la membrana plasmática se han observado áreas de un material denso en electrones, a menudo unidas entre sí 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 interferente 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 el MP-30 se une al propio genoma del virus y lo transporta de las células infectadas a las no infectadas a través de los plasmodesmos. [14] La proteína del locus T 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 el transporte simplástico es utilizado para regular las células del tubo criboso por las células acompañantes . [ cita requerida ]
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 modificaciones activas. [5] Por ejemplo, MP-30 puede aumentar el límite de exclusión de tamaño de 700 daltons a 9400 daltons, lo que facilita su movimiento a través de una planta. [22] Además, se ha demostrado que aumentar las concentraciones de calcio en el citoplasma, ya sea por inyección o por inducción por frío, restringe la apertura de los plasmodesmos circundantes y limita el transporte. [23]
Existen varios modelos para el posible transporte activo a través de los plasmodesmos. Se ha sugerido que dicho transporte está mediado por interacciones con proteínas localizadas en el desmotúbulo y/o por chaperonas que despliegan parcialmente proteínas , lo que les permite pasar a través del estrecho pasaje. Un mecanismo similar puede estar involucrado en el transporte de ácidos nucleicos virales a través de los plasmodesmos. [24] [ ¿ Fuente poco confiable? ]
Se han propuesto varios modelos matemáticos para estimar el transporte a través de los plasmodesmos. Estos modelos han tratado principalmente el transporte como un problema de difusión con algunos obstáculos añadidos. [25] [26] [27]
Los plasmodesmos unen casi todas las células de una planta, lo que puede causar efectos negativos como la propagación de virus. Para entender esto, primero debemos observar los componentes del citoesqueleto, como los microfilamentos de actina, los microtúbulos y las proteínas de 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, lo que permite 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 de movimiento viral a los plasmodesmos. Cuando se bloqueó la polimerización de actina, causó una disminución en la orientación de los plasmodesmos de las proteínas de movimiento en el tabaco y permitió que los componentes de 10 kDa (en lugar de 126 kDa) se movieran entre las células del mesófilo del tabaco . Esto también afectó al 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 los plasmodesmos para poder desplazarse dentro de la planta. Por ejemplo, cuando el virus del mosaico del pepino (CMV) entra en las plantas, es capaz de viajar a través de casi todas las células mediante la utilización de proteínas de movimiento virales 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 (SEL) de los plasmodesmos. [28]
En los sitios de los plasmodesmos se encuentran grandes cantidades de proteínas miosinas . Estas proteínas participan en la dirección de las cargas virales hacia los plasmodesmos. Cuando se probaron formas mutantes de miosina en plantas de tabaco, la orientación de las proteínas virales hacia los plasmodesmos se vio afectada negativamente. La unión permanente de la miosina a la actina, inducida por un fármaco, provocó una disminución del movimiento entre células. Los virus también pueden unirse selectivamente a las proteínas miosinas. [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 célula a célula y uno de esos métodos asocia el dominio N-terminal de su ARN para localizarse en los plasmodesmos a través de los 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 condujo a un aumento en la propagación del ARN viral a través del tabaco. [28]
La regulación y la estructura de los plasmodesmos están reguladas por un polímero beta 1,3-glucano conocido como calosa. La calosa se encuentra en las placas celulares durante el proceso de citocinesis, pero a medida que este proceso llega a su fin, los niveles de calosa disminuyen. [ cita requerida ] Las únicas partes ricas en calosa 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, la calosa debe estar presente. La calosa proporciona el mecanismo por el cual se regula la permeabilidad de los plasmodesmos. Para controlar lo que se transporta entre diferentes tejidos, los plasmodesmos experimentan 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 existen 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 bloquear sus canales. Se ha demostrado que los niveles de calosa son un método para cambiar el tamaño de apertura de los plasmodesmos. [29] Los depósitos de calosa 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 demuestra que hay señales que desencadenan una acumulación de calosa en los plasmodesmos y hacen que los plasmodesmos se bloqueen o se abran más. Las actividades enzimáticas de la beta 1,3-glucano sintasa y las hidrolasas están involucradas en los cambios en el nivel de celulosa de los plasmodesmos. Algunas señales extracelulares cambian la transcripción de las actividades de esta sintasa e hidrolasa. Arabidopsis thaliana tiene genes de calosa sintasa que codifican una subunidad catalítica del B-1,3-glucano. Los mutantes con ganancia de función en este acervo genético muestran una mayor deposición de calosa en los plasmodesmos y una disminución del tráfico macromolecular, así como un sistema radicular defectuoso durante el desarrollo. [28]