Appunti Biologia vegetale

1a lezione biologia vegetale

Gli organismi autotrofi hanno la capacità di nutrirsi autonomamente indipendentemente dall’esistenza di altri organismi o di composti chimici elaborati (sostanze organiche) bensì partendo da composti inorganici. Gli organismi eterotrofi non hanno la capacità di nutrirsi autonomamente, ma dipendono dall’esistenza di altri organismi o di composti chimici elaborati (sostanze organiche).

Autotrofia

Col termine autotrofia intendiamo la capacità di organicare la sostanza organica a partire dai composti inorganici. Le fasi sono:

• L’anidride carbonica entra negli stomi (aperture situate nella pagina inferiore della foglia).
• Attraverso i vasi legnosi, arriva la linfa grezza alle foglie (formata da sali minerali e acqua).
• Gli stomi rilasciano O₂.
• La linfa elaborata, carica di glucosio, scende verso le radici.

Il carbonio, l’idrogeno e l’ossigeno sono gli elementi fondamentali per la materia vivente. Per sostanza organica intendiamo i carboidrati, i lipidi, le proteine, gli acidi nucleici e l’acqua.

Eterotrofia

Col termine eterotrofia intendiamo l’incapacità di organicare la sostanza organica; di conseguenza è necessario nutrirsi di altri organismi o composti organici più o meno complessi. I principali organismi eterotrofi sono gli animali, essi hanno una nutrizione olozoica cioè ingeriscono il cibo e lo digeriscono assimilandone le sostanze.

Modalità di nutrizione nei vegetali eterotrofi

I vegetali eterotrofi, a seconda della modalità con cui si procurano le sostanze organiche necessarie al proprio fabbisogno, possono verificare fenomeni di:

• Parassitismo: si nutrono a spese di un altro essere vivente (ospite), al mediante austori sottraggono le sostanze organiche provocandogli stati patologici anche fino alla morte.
• Saprofitismo: ricavano nutrimento degradando la materia organica in decomposizione.
• Simbiosi: stretta convivenza di due organismi, appartenenti a due diverse specie, che traggono benefici l’uno dall’altro.

Le piante parassite si sono specializzate nell’attaccare altre piante provocandogli generalmente stati patologici anche fino alla morte e possono distinguersi a loro volta in:

• Emiparassite o semiparassite: se si nutrono solo in parte in modo eterotrofo. Esse fanno la fotosintesi ma l’acqua e i sali minerali vengono assunti attraverso gli austori direttamente dai vasi conduttori delle piante e non dalle radici.
• Oloparassite: si nutrono soltanto in modo eterotrofo, non svolgono la fotosintesi ma acqua e sali minerali vengono assunti dagli austori dai vasi conduttori delle piante e non dalle radici.

Le caratteristiche principali di queste piante sono:

• Basso contenuto di clorofilla.
• Germoglio di colore giallo, ricoperto da foglioline squamiformi.
• Radice ridotta.

Gli austori sono organi attraverso i quali le piante instaurano uno stretto contatto anatomico e con il loro sistema conduttore assumono il nutrimento dall’ospite. Le saprofite non hanno foglie, steli e radici ma esse producono filamenti e spore. Non possono eseguire la fotosintesi. Nelle piante superiori questo evento è molto raro. Esse traggono il loro nutrimento da materia organica in decomposizione. La simbiosi è stretta convivenza di due organismi, appartenenti a due diverse specie, che traggono benefici l’uno dall’altro. Le piante superiori instaurano relazioni simbiotiche con funghi e batteri, al fine di migliorare la capacità nutrizionale di entrambi. Esempi di simbiosi sono:

• Micorrize: simbiosi tra apparato radicale di piante arboree o erbacee e con funghi.
• Micorrize ectotrofiche: caratterizzate dallo sviluppo del fungo sulla superficie della parte apicale della radice, che viene avvolta da un manicotto.
• Micorrize endotrofiche: le ife del fungo si addentrano nei tessuti dell’ospite invadendo anche le cellule sono soprattutto micorrize delle orchidee.
• Tra apparato radicale e batteri: si tratta di batteri azoto-fissatori; trasformano l’azoto atmosferico in una forma assimilabile dalle piante le piante forniscono ai batteri carboidrati. Questa attività avviene a livello di noduli.

2a lezione biologia vegetale

La cellula

La cellula è l’unità funzionale più piccola degli organismi. Essa riassume e contiene tutto ciò che serve affinché un organismo sia vivente, ossia nasce, cresce, si riproduce e muore. Questo ciclo vitale vale per qualsiasi essere vivente e per qualsiasi unità strutturale. Le cellule vegetali si trovano negli organismi autotrofi.

La parete cellulare è la porzione più esterna ed è struttura tipica delle cellule vegetali. I plasmodesmi sono una porzione della struttura della parete che mettono in connessione le cellule vicine. In corrispondenza di uno di questi, la membrana cellulare di estroflette attraversando la parete cellulare, formando un tubo e infine si collega con la membrana della cellula successiva. Essi formano un passaggio che permette alle sostanze del citoplasma di muoversi di cellula in cellula. La porzione di spazio che si instaura intorno alle cellule adiacenti prende il nome di apoplasto.

La membrana plasmatica è l’involucro che delimita tutte le cellule separandola dall’ambiente esterno. È un sistema fluido e meccanico. Essa regola gli scambi di elementi e sostanze chimiche. È costituita da un doppio strato fosfolipidico e da proteine. La parte esterna è idrofoba, la parte interna è idrofila (semipermeabile = regola l’osmosi). Questo doppio strato lipidico impedisce che ioni, amminoacidi, proteine, carboidrati e altri composti idrosolubili si disperdano all’esterno e che quelli esterni entrino per diffusione.

All’interno della membrana plasmatica si trovano dei particolari tipi di proteine, chiamate carrier, che servono ad importare o esportare i composti e ne regolano il passaggio e il trasporto.

Il citoplasma, o citosol, è la sostanza fluida che riempie la cellula. Esso è costituito prevalentemente da acqua. Al suo interno è possibile trovare immerse tutte le strutture e gli organuli cellulari.

Il nucleo è delimitato dalla membrana nucleare. La struttura della superficie interna dell’involucro è resa stabile da un reticolo di filamenti proteici costituiti da una proteina detta lamìna. Esso contiene il materiale genetico ossia il DNA (sotto forma di cromatina o cromosomi). Esso controlla tutta la sintesi proteica ed è adibito alla riproduzione.

Il vacuolo può occupare fino al 90% del volume cellulare ed è tipico delle cellule vegetali. Ha molteplici funzioni, la più importante è legata alla sua turgidità; essa è strettamente collegata alla presenza della parete vegetale.

I plastidi convertono l’energia luminosa in energia chimica. Essi sono circondati da una doppia membrana, contengono DNA e ribosomi e un sistema completo per la sintesi proteica. Durante la divisione cellulare, le cellule vegetali contengono dei piccoli plastidi chiamati proplastidi.

I principali plastidi sono:

• Cloroplasti: contengono un elaborato sistema di membrane chiamato tilacoidi, esse si trovano immerse in una soluzione enzimatica chiamata stroma. All’interno di queste membrane si trovano delle proteine che legano la clorofilla. Il lavoro simbiotico dei tilacoidi e degli enzimi stromatici consente l’attuazione della fotosintesi, in questo processo l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica.
• Leucoplasti: non sono presenti i tilacoidi. Essi sono in grado di immagazzinare carboidrati sotto forma di amido per questo motivo possono essere chiamati anche amiloplasti.
• Cromoplasti: qui vengono accumulate alte concentrazioni di lipidi specializzati (caroteni e xantofille).

I mitocondri sono costituiti da due sacche membranose; la membrana interna forma dei ripiegamenti, dette creste, che aumentano la superficie disponibile per le reazioni chimiche che hanno luogo sulla membrana. All’interno di questa membrana è presente una soluzione viscosa di enzimi, detta matrice. Essi sono la sede della respirazione cellulare, sono responsabili della produzione di energia necessaria alla cellula per crescere e riprodursi. Esso disorganica gli zuccheri e ricava energia da essi, producono grandi quantità di ATP.

Gli altri organuli sono:

• Apparato del Golgi: è una pila di vescicole appiattite e membranose dette cisterne. Esso guida il flusso di proteine e altre sostanze dal RE verso la propria destinazione nella cellula. Questo tipo di traffico è rapido e continuo e può essere chiamato sistema di endomembrane.
• Ribosomi: è l’elemento fondamentale della trasformazione dell’m-RNA in proteine.
• Reticolo endoplasmatico: è una membrana tubulare. È una struttura chiusa di conseguenza le molecole non possono passare dal citoplasma allo spazio interno al reticolo, detto lumen, se non passando attraverso la membrana. La sua funzione principale è legata al fatto che funge come sito di sintesi e di accumulo delle proteine per trasferirle in queste zone. Le proteine del lumen possono essere considerate come impacchettate (separate dal citoplasma tramite una membrana). Una piccola vescicola può distaccarsi dal RE e trasportare proteine verso le altre zone della cellula.
• Lisosomi: contengono enzimi che scompongono proteine, carboidrati e acidi nucleici e possono servire anche a rimuovere dentro la cellula le sostanze di scarto.
• Centrioli: sono fondamentali per la divisione cellulare, da esse si genera il fuso mitotico o meiotico.
• Citoscheletro: svolge un ruolo molto importante all’interno della cellula. Esso serve a mantenere gli organelli in locazioni precise e dirige i loro movimenti all’interno della cellula (il movimento è detto ciclosi). All’interno del citoscheletro si possono trovare diversi tipi di strutture che sono:
  • Microtubulo: hanno un ruolo chiave nella divisione cellulare. Essi controllano la sintesi della parete cellulare, il movimento dei cromosomi e il piano di divisione cellulare.
  • Microfilamento: servono da guida per i movimenti degli organelli.

Tra la cellula vegetale e quella animale la differenza risiede semplicemente nella presenza di alcune strutture in quanto la prima è autotrofa. La differenza soprattutto sta nella presenza, nella cellula vegetale, di: plastidi, parete cellulare, plasmodesmi e vacuolo.

In base alla complessità della struttura possiamo dividere le cellule in procarioti ed eucarioti. I procarioti hanno una struttura cellulare molto semplice, sono prive di compartimentazione. Essi sono sia autotrofi che eterotrofi. Sono prive di reticolo endoplasmatico, mitocondri e plastidi; al posto del nucleo troviamo il nucleoide. La parete cellula è la porzione più esterna della cellula vegetale (struttura tipica). La parete cellulare è un rivestimento continuo, più o meno rigido, presente esternamente alla membrana cellulare in molti organismi sia procariotici che eucariotici.

Le funzioni principali sono:

• Proteggere il citoplasma.
• Conferire alla cellula una forma definita.
• Assicurare solidità alla cellula.
• Contribuisce al trasporto d’acqua.
• Controbilancia la pressione osmotica.
• Svolge un ruolo di difesa (barriera e neutralizzazione) contro i patogeni.

Si tratta di una struttura pluristratificata e la cui composizione varia a seconda delle categorie sistematiche:

• Batteri, peptidoglicano.
• Alghe, composizione chimica varia.
• Funghi, chitina (micosina), negli Oomiceti da cellulosa.
• Piante terrestri, cellulosa-pectica.

La parete cellulare è possibile distinguerla in tre zone:

• Lamella mediana: è lo strato più esterno costituito da pectina e acqua. È il punto di contatto tra due cellule. Essa è composta da sostanze pectiche.
• Parete primaria: formata da cellulosa in forma fibrillare e da una matrice polisaccaridica e proteica (emicellulosa, pectine, proteine strutturali [le glicoproteine] ed enzimi). Una microfibrilla è formata da circa 36 molecole di cellulosa (Fibre di cellulosa > macrofibrille > microfibrille > molecole di cellulosa). La cellulosa fibrillare è un polimero di β-D-glucosio legati tra loro da legami 1-4, il monomero di base si ripete un migliaio di volte andando così a formare una molecola di cellulosa. Questa struttura permette la formazione di legami idrogeno intermolecolari tra le molecole di cellulosa e affiancate parallelamente. Una molecola di cellulosa è costituita da 2000 a 15000 unità di glucosio ed una media di 36 molecole di cellulosa formano una microfibrilla, più microfibrille si uniscono tra loro e si avvolgono come i fili di una corda macrofibrille di circa 0,5 μm. Essa costituisce una impalcatura immersa in una matrice non cellulosica ricca d’acqua e costituita da polisaccaridi del gruppo delle emicellulose e delle pectine. A sua volta può essere formata da altre sostanze in base alla funzione che ha la cellula:
  • Lignina: si trova nelle pareti di quelle cellule vegetali che hanno funzione meccanica o di sostegno.
  • Cutina e cere: sono sostanze grasse che si trovano comunemente nelle pareti delle cellule dei tessuti esterni di protezione, generalmente per ridurre la perita d’acqua.
  • Suberina: costituisce il sughero cioè un tessuto secondario di protezione.
• Parete secondaria: si deposita all’interno della parete primaria. Sono importante in quanto sono specializzate nelle funzioni di sostegno (fibre) e trasporto/ conduzione dell’acqua (xilema). In queste cellule, spesso il protoplasto, dopo aver depositato la parete cellulare muore.

3a lezione biologia vegetale

Caratteristiche della cellula vegetale

Le caratteristiche principali della cellula vegetale sono legate alla presenza del vacuolo, parete cellulare con i plasmodesmi e i plastidi.

Il vacuolo

Si presenta come una grossa vescicola delimitata da una singola membrana semipermeabile di natura lipoproteica, chiamata tonoplasto (è paragonabile alla membrana cellulare). Nelle cellule vegetali adulte si trova un unico grande vacuolo centrale, che può occupare quasi il 90% del volume cellulare. Quando si formano nuove cellule il vacuolo si forma ex-novo. Esso viene originato dal GERL (Golgi – Reticolo endoplasmatico – Lisosoma). I principali passaggi sono:

• Il GERL differenzia tubuli ricchi di enzimi lisosomiali “provacuoli”.
• Questi tubuli circondano una porzione di citoplasma formando una gabbia.
• I tubuli di ciascuna gabbia si fondono isolando il citoplasma inglobato.
• Le membrane interne vengono digerite dagli enzimi lisosomiali formando un “vacuolo lisosomiale”.
• Successivamente si trasforma in vacuolo.

Con questo meccanismo nelle cellule vegetali giovani si formano più vacuoli che successivamente si fonderanno in uno solo. Un vacuolo maturo è formato:

• Tonoplasto: cioè una membrana, che circonda il vacuolo, semipermeabile lipoproteica bistratificata asimmetrica: la superficie rivolta verso l’esterno è più ricca di proteine intramembrana rispetto alla faccia rivolta verso l’interno. In questo caso i lipidi sono in gran parte glicolipidi e non fosfolipidi. Le proteine intramembrana sono per la maggior parte proteine carriers, pompe protoniche, proteine canali ed enzimi. Spesso di tratta di GLICOPROTEINE. Tra le pompe protoniche molto importanti sono le H⁺-ATPasi che idrolizzano adenosina trifosfato (ATP) generando una forza protonica per il trasporto di ioni e metaboliti attraverso il tonoplasto.
• Succo vacuolare: una soluzione acquosa in cui le sostanze possono essere disciolte in cristalli o condensate. I soluti presenti sono legati alle funzioni che svolge.

Funzioni del vacuolo

Le funzioni del vacuolo sono:

• Ioni e sali inorganici: al suo interno contiene questi sali e ioni tramite i quali richiama acqua al suo interno. Questo processo è alla base del turgore cellulare.
• Regolazione ioni e sali inorganici: regolazione del pH e osmoregolazione: Il pH all’interno del vacuolo (succo vacuolare composto da ioni e molecole organiche) è acido (pH 3-5) mentre quello del citoplasma è molto più basso (pH 6,6 – 6,8). La capacità di mantenere il succo vacuolare ad un pH acido è dovuto alla presenza sul tonoplasto di pompe protoniche (es. H⁺-ATPasi) che attraverso l’idrolisi dell’ATP forniscono protoni al succo vacuolare acidificandolo. Affinché, quindi, il succo vacuolare mantenga il suo pH, le pompe protoniche del tonoplasto forniscono acqua (e di conseguenza protoni) al succo vacuolare acidificandolo. L’ambiente esterno è ipotonico rispetto al citoplasma e il citoplasma è ipotonico rispetto al succo vacuolare, in questo modo si crea un flusso d’acqua dall’ambiente esterno al citoplasma e tutto ciò porta all’aumento del volume del vacuolo. Il tutto è alla base del turgore cellulare. La pressione idrostatica esercitata dal vacuolo sulla parete cellulare è la pressione di turgore e la pressione meccanica esercitata dalla parete è la pressione di parete. Queste si equilibrano avendo intensità uguale e contraria. Il turgore cellulare è responsabile della rigidità di parti non lignificate ed il suo fenomeno opposto è la plasmolisi = il vacuolo perde acqua, si contrae, e di conseguenza il suo volume si riduce portando così al distacco della membrana plasmatica dalla parete cellulare. Il processo si può invertire trasferendo successivamente la cellula in una soluzione ipotonica. La plasmolisi generalmente causa prima la perdita di turgore e poi, se prolungata nel tempo, la morte della cellula.
• Riserva di carboidrati e aminoacidi: accumulano saccarosio e sostanze proteiche.