Biologia vegetale - Appunti

Importanza delle piante

Le piante sono importanti perché effettuano fotosintesi, ossia sintesi di materiale organico a partire da molecole semplici grazie all’energia luminosa: con la fotosintesi le piante fissano la CO₂ in composti organici. Le piante forniscono alimenti, fibre per capi vestiari, legname e carte, producono sostanze chimiche utilizzate a scopo terapeutico o voluttuario.

Studio delle piante

Studiare le piante può fornire informazioni riguardanti il mondo in generale: ricordiamo che Robert Hooke introdusse il concetto di cellula studiando una sezione di sughero; oppure le leggi della genetica di Mendel nate grazie agli studi sulla pianta di pisello; la pianta del tabacco fu utile a studiare il virus del mosaico del tabacco; Barbara McClintock scoprì i trasposoni nel mais.

Applicazioni biotecnologiche

Vi sono anche molte applicazioni biotecnologiche, come le piante transgeniche: il genoma di una pianta viene modificato grazie a manipolazione genetica: le singole cellule vengono transfettate e per una loro proprietà detta totipotenza crescono e ricreano l’organismo completo in opportuno terreno di crescita.

• Resistenti a microorganismi patogeni e insetti
• Tolleranti a stress abiotici (salinità, siccità)
• Che richiedono meno fertilizzanti chimici
• Che producono vaccini edibili e anticorpi
• Con aumentati valori nutrizionali

Ulteriori approcci innovativi sono:

• Piante come sorgenti di biofuels (i semi oleosi ricchi di lipidi fanno biodiesel; la fermentazione di parti degradabili produce bioetanolo)
• Plastiche biodegradabili, derivanti da fermentazione dell’amido

Studiare le piante incrementa dunque la nostra conoscenza sulla vita in generale e ci aiuta a lavorare con esse per mantenerci nutriti, sani, protetti, vestiti.

Botanica generale

Una classificazione ormai superata degli esseri viventi venne proposta nel 1969 da Robert Whittaker. Essa si basava principalmente sull'organizzazione cellulare e sulla modalità di nutrizione e raggruppa gli esseri viventi in cinque grandi gruppi chiamati regni: Animalia, Plantae, Fungi, Monera, Protista.

Con l’avvento della biologia molecolare il mondo vivente è stato diviso in tre divisioni principali chiamati domini (super regni, una categoria tassonomica superiore al regno) in quanto il regno Monera è stato giudicato errato, in quanto va suddiviso nei domini dei Batteri e degli Archebatteri; poi c’è il dominio degli Eucarioti, che è molto vasto e noi in particolare ci occuperemo delle piante terrestri, intendendo solo una parte di quello che è il mondo vegetale (in realtà molto più vasto perché comprende tutti gli organismi eucarioti autotrofi fotosintetici, come le alghe o tallofite).

Piante terrestri

Le piante terrestri o “Land Plants” o cormofite sono le piante con cormo, un corpo organizzato nei tre organi fondamentali: radice, fusto e foglie.

Le piante in senso stretto vengono suddivise in alcuni gruppi:

• Briofite: soprattutto muschi, piante terrestri meno evolute, che ancora non sono riuscite ad affrancarsi totalmente dall’ambiente acquatico (necessitano dell’acqua per riprodursi)
• Pteridofite: es. felci, meglio adattate all’ambiente terrestre
• Spermatofite: piante superiori, sono piante a seme. Sono divise in:
  • Gimnosperme: piante senza fiori, es. conifere. Gimnosperma=pianta a seme nudo.
  • Angiosperme: piante con fiori. Deriva dal greco, piante a seme racchiuso. Le angiosperme a loro volta si dividono in base al numero di cotiledoni (foglie embrionali) in:
    • Dicotiledoni
    • Monotiledoni

Una delle caratteristiche delle piante è che non possono muoversi: ciò condiziona il loro tipo di vita, perché fa sì che essa debba far fronte a varie condizioni ambientali biotiche o abiotiche. In realtà non è sempre ferma, ma l’unico momento in cui la pianta si muove si ha durante la dispersione del polline o dei semi.

Le piante hanno forme molto varie e dimensioni molto diverse, ma la struttura di base è sempre la stessa. Inoltre esistono piante che possono vivere moltissimi anni e ogni anno producono nuove foglie e nuove radici, quindi diciamo che hanno una crescita indefinita. Questo può avvenire perché alle estremità dei rami e delle radici ci sono tessuti embrionali, cioè cellule che mantengono la capacità di dividersi per tutta la vita: queste si divideranno, generando in parte cellule tissutali e in parte cellule embrionali, per cui l’anno successivo queste si potranno dividere nuovamente.

Il livello cellulare

Una cellula vegetale è una cellula eucariotica con nucleo, reticolo endoplasmatico, l’apparato del Golgi, i mitocondri, la membrana plasmatica, ma contiene anche compartimenti peculiari:

• Vacuolo
• Parete cellulare: struttura rigida o semirigida che si trova esternamente alla membrana plasmatica. Anche i batteri hanno parete cellulare, ma quella vegetale ha composizione diversa.
• Plastidi: categoria di organelli, più tipi funzionali con diverse specializzazioni, cui appartengono i cloroplasti.

Facendo un confronto notiamo che la cellula vegetale (dimensioni generalmente di circa 50-100 micron) è molto più grande di quella animale (diametro di circa 10 micron).

Vacuolo

Grande compartimento intracellulare, in una cellula adulta è il compartimento più cospicuo dello spazio intracellulare (80-90% del volume). Il nome deriva da vacuum, vuoto. In realtà è uno spazio pieno di un liquido chiamato succo vacuolare, però è privo di citoplasma (che sta tutto intorno al vacuolo). È delimitato da una singola membrana chiamata tonoplasto o membrana vacuolare.

Il vacuolo viene definito dinamico e versatile: dinamico perché cambia durante il differenziamento e versatile perché può essere utilizzato per una grande varietà di funzioni. Il tonoplasto che delimita il vacuolo ha una funzione importante nella regolazione di flussi di ioni e molecole tra citosol e vacuolo. Contiene una grande varietà di trasportatori: attivi primari, secondari, canali ecc. In particolare ci sono due pompe+ + protoniche: H⁺-ATPasi e H⁺-pirofosfatasi. Queste sono dei trasportatori attivi primari+ che pompano H⁺ all’interno del vacuolo sfruttando l’energia di idrolisi dell’ATP o del+ pirofosfato per accumulare protoni nel vacuolo. L’H⁺-pirofosfatasi è presente solo nelle piante e in alcuni batteri, presumibilmente perché le piante non hanno pirofosfatasi citosoliche che possano sfruttare l’energia ancora contenuta nel pirofosfato. Il gradiente protonico che si genera grazie alle due pompe viene poi sfruttato per il trasporto, in particolare con sistemi di antiporto che sfruttano il flusso di protoni secondo gradiente per trasportare altre sostanze. Per l’alta concentrazione di protoni il vacuolo ha un pH acido (~5).

Depositi vacuolari

• Ioni inorganici (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-)
• Acidi organici (acidi carbossilici in parte responsabili del pH vacuolare)
• Aminoacidi
• Proteine
• Zuccheri
• Acqua, in cui la maggior parte delle sostanze sono sciolte
• Metaboliti secondari
• Inclusi solidi, cioè sostanze non sciolte nel vacuolo ma presenti come precipitato

Non si trova sempre tutto questo, ma la composizione chimica del succo vacuolare può variare tra specie diverse, in tessuti diversi di una stessa specie o in cellule diverse di uno stesso tessuto.

Gli inclusi solidi generalmente sono cristalli di ossalato di calcio, dei precipitati dati dalla combinazione di acido salico e ossalato di calcio che assumono forme cristalline diverse. Esempi sono: le druse, aggregati di cristalli prismatici; o i rafidi: cristalli allungati, aghiformi riuniti in fascetti che possono occupare anche tutto lo spazio del succo vacuolare.

Esistono due ipotesi sulla presenza di questi cristalli nel succo vacuolare, forse entrambe corrette: una possibilità è che servano come forma di detossificazione per abbassare i livelli di acido ossalico e di calcio nel citoplasma; l’altra ipotesi è che funzionino da deterrente contro gli erbivori, che amano meno le piante piene di questi cristalli di ossalato di calcio (evoluti come sistema di difesa).

Funzioni del vacuolo

• Ruolo importante nell’accrescimento della cellula vegetale
• Implicato nel controllo dell’equilibrio ionico del citoplasma
• Riserva di metaboliti primari (essenziali, quelli del metabolismo fondamentale della cellula, presenti in tutte le cellule)
• Più importante compartimento osmotico
• Compartimento litico (ricorda i lisosomi)
• Sito di accumulo di metaboliti secondari: sostanze che non troviamo in tutte le cellule, ma solo in alcune perché non hanno funzione primaria, ma sono implicate nelle relazioni della pianta con l’ambiente (difesa, attrazione insetti o animali)

Ruolo nell’accrescimento della cellula vegetale

Nelle cellule giovani ci sono molti vacuoli di piccole dimensioni. Durante l’accrescimento i vacuoli aumentano di dimensioni e si fondono tra loro, fino a che non si realizza la condizione per cui l’80-90% del volume della cellula è occupato dal vacuolo e il citoplasma costituisce un sottile strato a ridosso della membrana plasmatica e della parete esterna. Gli organelli e il nucleo hanno a disposizione un piccolo spazio.

L’aumento del volume cellulare avviene quindi senza un grande aumento di volume citosolico. Questo ha significato di risparmio energetico, perché la cellula non deve produrre una grande quantità di citoplasma, ma aumenta di dimensioni per ingresso di acqua nel vacuolo.

Il volume relativo dei diversi compartimenti intracellulari (in percentuale) varia nell’accrescimento: in una cellula giovane il nucleo occupa circa un terzo del volume, mentre nella cellula matura il nucleo diventa una piccola frazione rispetto al volume enorme.

Controllo dell’equilibrio ionico

Il vacuolo è in grado di accumulare e rilasciare molti ioni inorganici. C’è una serie di trasportatori sulla membrana vacuolare che controllano e mantengono l’omeostasi citosolica e quindi dei processi metabolici. Nel caso ci siano situazioni improvvise di disequilibrio ionico, il vacuolo interviene con rapidità ed efficienza tamponando le fluttuazioni ioniche nel citosol.

Molto importante è, per esempio, la regolazione del calcio citosolico: il Ca²⁺ è un messaggero intracellulare molto importante per la trasduzione del segnale e in grado di regolare alcuni enzimi. Nel vacuolo la concentrazione di questo ione è 10mila volte più alta di quella del citosol e grazie a trasportatori del tonoplasto il calcio viene rilasciato nel citosol quando necessario.

Inoltre c’è una regolazione importante anche del pH del citoplasma grazie alle pompe H⁺-ATPasi e H⁺-pirofosfatasi che sono in grado di acidificare il contenuto del vacuolo: il gradiente protonico energizza dei trasportatori che accoppiano l’uscita di H⁺ secondo gradiente con l’entrata di vari tipi di ioni e molecole.

Riserva di metaboliti primari

Questi sono metaboliti che troviamo in tutte le piante che svolgono funzioni essenziali per il metabolismo cellulare. Generalmente hanno permanenza temporanea nel vacuolo. Possono essere utilizzati come scorta quando la cellula si trova in situazioni di carenza di un determinato metabolita. Troviamo diversi tipi di acidi organici che possono essere intermedi del ciclo di Krebs prodotti nella matrice mitocondriale (acido citrico, succinico, malico…) e altri acidi che provengono da altri metabolismi (acido ossalico, ascorbico); diversi tipi di aminoacidi in riserva come deposito di azoto, mobilizzato quando se ne ha bisogno dai diversi carrier per i diversi tipi di aminoacidi; troviamo inoltre proteine e zuccheri.

Il vacuolo è anche un compartimento metabolicamente attivo. Infatti tra le proteine vacuolari possiamo avere:

1. Enzimi che possono servire per processi di sintesi (per esempio di polisaccaridi).
2. Enzimi idrolitici.
3. Enzimi che trasformano delle sostanze presenti nel vacuolo in modo da non farle più uscire.
4. Inoltre abbiamo delle proteine che vengono chiamate di riserva, tipiche dei semi, ma presenti anche in altri tessuti e organi. Queste proteine sono particolarmente importanti per l’alimentazione umana, tuttavia sono carenti in alcuni aminoacidi essenziali (da introdurre con l’alimentazione): per esempio i cereali sono carenti in lisina e i legumi sono carenti in metionina. Un impiego delle biotecnologie è quello di dare una distribuzione più omogenea di questi aminoacidi alle piante.

Gli zuccheri presenti nel vacuolo sono:

• Monosaccaridi: glucosio e fruttosio (nelle cellule dei frutti)
• Disaccaride: saccarosio: dato dal legame tra il glucosio e il fruttosio. È la forma di trasporto di carboidrati preferita dalla pianta, mentre negli animali viene trasferito soprattutto glucosio. Alcune piante come la barbabietola o la canna da zucchero hanno parti specializzate le cui cellule accumulano saccarosio nel vacuolo. Viene accumulato temporaneamente contro gradiente con un sistema di antiporto H⁺/saccarosio. Quando ce n’è bisogno viene scisso nei suoi monomeri ad opera di un enzima chiamato invertasi e glucosio e fruttosio sono mobilizzati grazie ad enzimi del tonoplasto.
• Polisaccaridi non amilacei (ricorda: non c’è mai amido nel vacuolo):
  • Fruttani: polimeri del fruttosio.
  • Mannani: polimeri del mannosio. Sono i più abbondanti nel vacuolo. Qui troviamo enzimi che scindono mannani e fruttani nei loro monomeri. I fruttani vengono anche sintetizzati nel vacuolo.
  • Mucillagini: fortemente idrofilici. Hanno significato di far disidratare la pianta più lentamente. Le troviamo nelle piante che hanno problemi idrici (es. cactus).

Funzioni dei polisaccaridi

• Riserva di zuccheri che la pianta può mobilizzare facilmente
• L’idrolisi a monomeri è anche un meccanismo rapido per aumentare la concentrazione di soluti nel succo vacuolare, quindi richiamano acqua all’interno del vacuolo
• Molti possono legare molecole d’acqua, quindi controllano lo stato idrico della pianta

Funzione di compartimento osmotico

Il vacuolo è il compartimento intracellulare più coinvolto nei fenomeni osmotici. L’osmosi è il passaggio del solvente attraverso una membrana semipermeabile, che invece opera una restrizione al passaggio delle molecole di soluto. L’acqua tenderà ad andare nella soluzione più concentrata e quindi a diluirla.

Grazie alla grande quantità di soluti il vacuolo richiama acqua al suo interno con il risultato che si instaura una pressione di natura osmotica chiamata pressione di turgore. Quanto maggiore è il valore della pressione osmotica (quindi della concentrazione del succo vacuolare) tanto maggiore è la sua capacità di richiamare acqua. La pressione osmotica è data dall’equazione di Van’t Hoff: Π=c*R*T. La pressione di turgore nei limiti della cellula dipende dalla concentrazione dei soluti e non dalla natura degli stessi.

In una cellula vegetale la pressione di turgore è esercitata sul citoplasma, sulla membrana plasmatica e sulla parete: la parete risponde con una sua pressione di origine meccanica in maniera uguale e contraria. In questa situazione la cellula è turgida perché le due pressioni sono uguali. Questo fenomeno è determinato dalla cooperazione tra vacuolo e parete. La cellula dunque funziona come un osmometro.

La cellula può trovarsi occasionalmente in diverse condizioni:

• Immersa in una situazione isotonica (concentrazione interna ed esterna uguali): entra tanta acqua quanto quella che esce
• Soluzione esterna ipotonica (concentrazione esterna minore di quella interna): entra molta più acqua di quella che esce: per la cellula è la soluzione ideale
• Soluzione esterna ipertonica (concentrazione esterna maggiore di quella interna): l’acqua che entra è meno di quella che esce e avviene plasmolisi. Nota: la plasmolisi non porta alla lisi della cellula, ma si ha un raggrinzimento sia del vacuolo sia di tutto il protoplasto, cioè della cellula con la sua membrana plasmatica, che si stacca dalla parete in molti punti. Questa situazione è reversibile entro certi limiti.

C’è un diverso comportamento osmotico nella cellula animale e in quella vegetale: mentre nell’ambiente ipertonico entrambe le cellule si raggrinzano, l’ambiente isotonico è quello ideale per la cellula animale e quello ipotonico è deleterio, perché la cellula si gonfia fino a scoppiare (si formano i ghosts) perché non ha una parete cellulare che sostenga il processo.

Il turgore cellulare generato dalla cooperazione parete/vacuolo è importante per dare sostegno cellulare alle piante adulte. Il turgore è coinvolto anche nei cosiddetti movimenti delle piante:

• Movimenti microscopici a carico degli stomi: gli stomi sono minuscole aperture sull’epidermide delle foglie che servono per lo scambio dei gas. Hanno una forma particolare a bocca, costituita da due cellule di guardia che delimitano il poro stomatico. L’apertura/chiusura degli stomi è determinata da variazioni di turgore delle cellule di guardia (quando sono turgide si apre lo stoma, quando sono flaccide si chiude).
• Movimenti macroscopici delle piante sensitive e piante carnivore: alcune piante carnivore hanno delle foglie modificate in due valve, che contengono peli sensoriali. Quando un insetto tocca più di un pelo si ha una variazione di turgore delle cellule che stanno alla base della nervatura della foglia e quindi la trappola si chiude a scatto. Il tocco dell’insetto causa uno stimolo meccanico, che provoca uno stimolo elettrico che causa l’apertura di canali ionici. Le piante sensitive rispondono a shock da freddo o da caldo o al tocco.