Appunti di Botanica

Botanica

La biologia vegetale studia i processi vitali (forma e funzione) che riguardano il mondo dei vegetali.

• Morfologia (forma) e fisiologia (funzioni)
• Accrescimento (metabolismo)
• Interazioni (tra vegetali o tra vegetali ed animali)
• Riproduzione

Le piante e i composti usati come farmaci

Le piante producono centinaia di composti usati come farmaci.

• Salice (Salix): la corteccia è usata come fonte per il principio attivo dell’aspirina (acido acetilsalicilico)
• Digitale (Digitalis purpurea): come fonte di digitossina (usata nella cura di problemi cardiaci)
• Brevifolia (Taxus brevifolia): come fonte di tassolo (trattamento nella cura del cancro)
• Caffè (Coffea arabica) e tè (Camellia sinensis): come fonti di caffeina (stimolante)

Piante biofortificate

• Riso arricchito di ferro
• Pomodoro selvatico e arricchito di antiossidanti
• Riso arricchito di provitamina A (La deficienza di vitamina A è considerata una delle peggiori forme di malnutrizione dei Paesi in via di sviluppo, poiché causa cecità, limita la crescita e lo sviluppo del sistema immunitario. Questo riguarda 140 mln di bambini di età pre-scolare in 118 Paesi, e più di 7 mln di donne in attesa.)

Fitorimedio, fitodepurazione e fitocontenimento

Fitorimedio, fitodepurazione e fitocontenimento: piante, a lavorare in miniera!

Specie “iperaccumulatrici” = trattengono metalli pesanti fino a circa 100-1000 volte in più rispetto alla norma vegetale. Quasi sempre si tratta di adattamenti evolutivi a nicchie ecologiche particolari, come rocce laviche, terreni di risulta di operazioni minerarie, o suoli inabitabili per altre piante.

Phytomining: la capacità vegetale di assorbire e accumulare metalli più o meno preziosi può costituire una risorsa anche nell’estrazione di altri elementi pregiati da suoli non più sfruttabili commercialmente (phytomining) o per ridurre il contenuto di alcuni metalli pesanti in terreni contaminati da attività minerarie o industriali (phytoremediation).

Molte delle specie utilizzabili crescono molto lentamente e producono pochissima biomassa all’anno; estrazione di quantità molto molto piccole di metalli pesanti.

Metalli pesanti come il cadmio vengono facilmente assorbiti dal terreno, principalmente attraverso il sistema radicale, e possono accumularsi nei tessuti delle radici, delle foglie, nei frutti e nei semi. E, di conseguenza, entrare nella nostra catena alimentare.

Le fitotecnologie

Fitoestrazione: mobilitazione del contaminante dal suolo alla pianta, concentrazione del contaminante nei tessuti vegetali. Contaminante: metalli pesanti e radionuclidi. Piante: specie erbacee, alberi, piante acquatiche.

Fitovolatilizzazione: il contaminante viene assorbito, eventualmente modificato, e rilasciato dalle foglie attraverso il processo di traspirazione. Contaminante: mercurio, selenio, argento, arsenico, solventi clorurati. Piante: specie erbacee, alberi, specie acquatiche e tipiche di ambienti umidi.

Fitodegradazione: assorbimento e trasformazione del contaminante per mezzo di processi vegetali. Contaminante: alcuni composti organici (solventi clorurati, pesticidi, fenoli). Piante: specie erbacee, alberi, specie acquatiche e piante tipiche di ambienti umidi, ie di ambient umidi. he e tipiche di ambienti acquatici.

La cellula

La moderna teoria cellulare stabilisce che:

• Tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule
• Tutte le reazioni chimiche di un organismo vivente avvengono nelle cellule
• Le cellule si originano da altre cellule
• Le cellule contengono l’informazione genetica degli organismi a cui appartengono e le trasmettono alle cellule figlie

La teoria cellulare

La teoria cellulare dal latino: «piccola camera».

L’organizzazione cellulare della materia vivente persiste nelle sue linee generali da circa 2 miliardi di anni. Se durante questo periodo non è stata sostituita, ma solo perfezionata ci deve pur essere qualche ragione. La frammentazione della materia vivente in tante cellule, che si riscontra in un organismo pluricellulare ne aumenta la superficie relativa (ovvero il rapporto superficie/volume). Ciò aumenta la possibilità e la velocità degli scambi tra l’ambiente interno alla cellula o all’organismo pluricellulare e l’ambiente esterno.

Cellule procariotiche e cellule eucariotiche

Le diverse cellule si possono ricondurre a due modelli o tipologie fondamentali: cellule procariotiche e cellule eucariotiche, che corrispondono a due tappe fondamentali dell’evoluzione degli organismi viventi.

Le principali differenze tra i due modelli cellulari riguardano:

• L’organizzazione del materiale genetico (Eukaryota; dal greco εὖ - eu - «vero» e κάρυον - káryon - «nucleo». Prokaryota: προ - pro - «prima» e κάρυον - káryon - «nucleo»);
• La compartimentazione funzionale del protoplasma (tutto ciò che è contenuto nella cellula).

Procarioti ed eucarioti

Procarioti:

• Batteri
• Alghe azzurre (cianobatteri)

Eucarioti: tutti gli altri esseri viventi (protisti, piante, funghi e animali).

Cellula procariote

• Provvista di parete
• Il DNA è sparso
• Sprovvista di organuli
• Possiede ribosomi dispersi
• È tipica di due gruppi di microorganismi: batteri e archea

Cellula eucariote

• La parete non è una struttura fondamentale
• Possiede un nucleo delimitato
• Provvista di plastidi (mitocondri, cloroplasti, etc)
• Possiede ribosomi addensati su un sistema di membrane (RER)

Livelli di organizzazione

Atomo: unità fondamentale della materia.

Molecola: la più piccola unità di un composto chimico che ne mantiene le caratteristiche chimico-fisiche.

Macromolecola: molecola di grandi dimensioni, di natura polimerica.

Organulo: associazione di diverse categorie di biomolecole, generalmente compartimentate da una membrana biologica.

Cellula: unità strutturale e funzionale degli organismi viventi.

Tessuto: associazione di cellule che presentano le stesse caratteristiche morfologiche e funzionali.

Organo: struttura anatomica costituita da diversi tipi di tessuti formanti un’unità funzionale.

Organismo: rappresenta l’unità della specie.

Popolazione: gruppo di individui appartenenti alla stessa specie presenti in una determinata area geografica.

Comunità: insieme di tutte le popolazioni insediate in una determinata area geografica.

Ecosistema: insieme delle comunità e dell’ambiente chimico-fisico.

Bioma: sistema di ampie dimensioni tipico di una fascia geografica e climatica.

Biosfera: comprende tutti i biomi della terra.

Quanto contano le dimensioni?

Limite di risoluzione dell’occhio umano = 0.1 mm a 25 cm di distanza.

Microscopio ottico: sfrutta la luce con lunghezza d'onda dello spettro visibile. I microscopi ottici sono storicamente quelli più vecchi e sono anche tra i più semplici. Risoluzione: legato alla diffrazione (circa 0,2 μm con luce visibile).

SEM: sfrutta come sorgente di radiazioni un fascio di elettroni primari focalizzati che colpiscono il campione. Profondità di campo. Risoluzione: 5-1 nm circa. Il campione è sotto alto vuoto.

TEM: sfrutta come sorgente di radiazioni un fascio di elettroni primari focalizzati che colpiscono il campione. Fornisce informazioni circa la struttura interna del campione analizzato.

Composizione della cellula vegetale

Il plasmalemma

Il plasmalemma: detta anche “membrana plasmatica”.

Interno = simplasto.

Esterno = apoplasto.

Tipi di proteine associate alla membrana:

• Trasportatori
• Recettori
• Enzimi
• Àncore

Il citoplasma

Il citoplasma: citosol + fase organellare.

Citosol: sistema monofasico acquoso composto da acqua più una serie eterogenea di soluti (ioni, piccole molecole, macromolecole solubili).

Fase organellare:

• Organuli
• Sistema di endomembrane
• Sistema citoscheletrico

Il pH citosolico è compreso tra 7.1 e 7.4 ----> compatibile con la maggior parte delle attività enzimatiche e con la stabilità di molecole importanti quali ATP e NAD(P)H.

Ciclosi = movimenti o correnti che caratterizzano il citoplasma.

Il citoscheletro

Il citoscheletro: complesso reticolo di filamenti proteici che attraversa il citosol. Determina l’architettura della cellula.

• Filamenti di actina
• Filamenti intermedi
• Microtubuli

1- divisione 2- crescita 3- differenziamento 4- movimento degli organuli.

Funzioni specifiche del citoscheletro:

• Determina e mantiene la forma della cellula;
• Determina e mantiene la posizione degli organelli citoplasmatici;
• Sostiene la membrana cellulare;
• Guida il traffico intracellulare di organuli e vescicole;
• Importante funzione nella duplicazione cellulare: esercita trazione sui cromosomi allontanandoli durante la mitosi. Inoltre dà origine al setto che taglia in due la cellula che si sta dividendo;
• Nelle cellule vegetali guida la crescita della parete cellulare.

Filamenti di actina: determinano la forma della superficie cellulare, sono necessari per la locomozione dell’intera cellula.

Filamenti intermedi: forniscono la forza meccanica e la resistenza agli stress.

Microtubuli: conferiscono rigidità alla cellula, determinano la posizione degli organuli e dirigono il trasporto intracellulare.

Il nucleo

Il nucleo:

• È l’organello deputato alla conservazione e alla protezione dell’informazione genetica dell’individuo;
• Racchiuso dall’involucro nucleare (doppia membrana);
• Il nucleoplasma è messo in comunicazione con l’esterno attraverso dei pori.

Il reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico (ER):

• Esteso sistema di membrane;
• Liscio / rugoso;
• Smistamento sostanze;
• Sintesi delle membrane;
• Modificazione delle proteine.

L’apparato di Golgi

L’apparato di Golgi:

• Complesso membranoso di vescicole a sacco impilate;
• Riceve e modifica le molecole elaborate dall’ER;
• Trasporto verso l’esterno (vescicole): funziona come stazione di smistamento, per la consegna di proteine a diverse destinazioni nella cellula;
• Sito di produzione dei carboidrati più importanti della parete cellulare (pectine e emicellulose).

Microcorpi

Microcorpi: compartimenti specializzati per diverse funzioni metaboliche.

• I perossisomi, che trasferiscono atomi di idrogeno da un substrato organico all’ossigeno, creando radicali liberi secondo la reazione RH2+O2 → R+H2O2. Il perossido prodotto può essere degradato dall’enzima catalasi secondo la reazione: H2O2→H2O+1/2O2
• I gliossisomi, che convertono acidi di riserva in zuccheri traslocabili ai giovani germogli attraverso il ciclo dell’acido glicosidico

Gli oleosomi (corpi lipidici osferosomi), tipici delle cellule del seme, sono agglomerati di inclusione avvolti da un unico monostrato fosfolipidico. Negli oleosomi sono contenuti grassi (trigliceridi) che vengono convertiti in saccarosio durante la germinazione ad opera dei gliossisomi, previa azione dell’enzima lipasi.

Oleosine: proteine superficiali che impediscono la fusione degli oleosomi tra loro.

Il vacuolo

Il vacuolo: da “vacuum”, vuoto (???) Cosa compone la cellula vegetale?

• Viene considerato un componente del sistema di endomembrane;
• Organulo osmoregolatore;
• Funzione di riserva;
• Funzione segregativa;
• Funzione litica.

Il tonoplasto è una membrana lipoproteica stratificata asimmetrica: la superficie rivolta verso l’esterno è più ricca di proteine intra-membrana rispetto a quella interna.

Proteine trans-membrana: prevalentemente trasportatori, pompe protoniche, proteine canale, enzimi.

Funzioni del vacuolo

• Consente alla cellula di raggiungere notevoli dimensioni (supporto meccanico)
• Evita la formazione di spazi vuoti
• Spinge il citoplasma verso l'esterno della cellula facilitando gli scambi metabolici
• Rappresenta un sistema di «gestione» dei rifiuti
• Regola l'omeostasi, mediante variazioni di concentrazione del succo vacuolare
• Funziona da organulo di riserva (acqua e varie sostanze)
• Concorre alla colorazione di fiori, frutti e altre parti vegetali.

Componenti del succo vacuolare

Dal punto di vista funzionale i soluti vacuolari sono:

• Segregati in modo apparentemente definitivo (scorie metaboliche, prodotti di rifiuto)
• Riutilizzabili per esigenze diverse tra cui quella di mantenere stabile il metabolismo cellulare (sostanze di riserva)

• Ioni inorganici: K+, Na+, Ca++, Cl-, NO3-, SO4--, HCO3-, H2PO4-
• Acidi organici: acido malico, citrico, ossalico. L’acido ossalico legandosi con il calcio può precipitare formando cristalli di ossalato di calcio.
• Zuccheri: glucosio, fruttosio, saccarosio

I precipitati di ossalato di calcio assumono diverse forme a seconda del tessuto e della pianta; possono assumere forme geometriche più o meno semplici.

Metaboliti vari: sostanze tossiche, flavonoidi, alcaloidi, molecole deterrenti nei confronti dei predatori o attrattive per gli insetti utili. Antocianine = flavonoidi + gruppo ossidrile (-OH).

Alcaloidi (dall’arabo al-qali, dal nome della pianta da cui è stata ottenuta per la prima volta la soda): generalmente presenti in forma libera nel vacuolo, hanno proprietà psicoattive e carattere basico.

• Morfina
• Caffeina
• Cocaina
• Nicotina

Alofuginone: anticoccidico. Si tratta di un derivato alogenato della febrifugina, alcaloide estratto dalla Dichroa febrifuga. La dose chemioprofilattica consentita è di 2-3 mg/kg di mangime. Può essere somministrata a polli da carne ed a tacchini fino a 12 settimane di età. Nelle anatre, gallina faraona, volatile di interesse venatorio e soprattutto nelle oche provoca un marcato rallentamento della crescita anche alle dosi normalmente usate per il pollo e tacchino. Anche il pollo presenta lo stesso fenomeno quando viene trattato con dosaggi doppi di questo anticoccidico.

Cosa contiene il vacuolo?

• Acqua
• Glucidi: monosaccaridi (glucosio, fruttosio), disaccaridi (saccarosio, maltosio), polisaccaridi (inulina)
• Sali inorganici: tipo e concentrazione dipendono dall'ambiente (Ca2+, K+, Na+, fosfati, nitrati, ecc.
• Sali di acidi organici: acido citrico (nei frutti immaturi), acido malico, acido succinico, acido ossalico, ecc., spesso in cristalli
• Amminoacidi: arginina, lisina
• Flavonoidi: pigmenti rossi e blu (antociani) o gialli (flavoni)
• Alcaloidi: sostanze basiche probabilmente con funzione di difesa (morfina, cocaina, nicotina, stricnina)
• Altri metaboliti: tannini, glucosidi, resine, gomme, oli essenziali, ecc.

Plastidi

Plastidi. Plastikos, «modellato». Variano per forma, numero, dimensione e funzione.

DNA proprio e propri ribosomi -----> organuli semi-autonomi.

• Cloroplasti
• Cromoplasti
• Amiloplasti
• Ezioplasti
• Gerontoplasti

Contengono i pigmenti deputati alla fotosintesi; sono localizzati solo nei tessuti fotosinteticamente attivi della pianta (foglie, steli). Contengono carotenoidi e xantofille; sono localizzati nei fiori, nei frutti e nelle foglie in senescenza.

Tipi di cromoplasti

• Globulari (ranuncolo)
• Fibrillari (sterlizia)
• Membranosi (peperone)
• Cristallini (carota)

Il licopene dà la colorazione rossa (peperone).

Ezioplasti

Ezioplasti: sono plastidi che si sono differenziati al buio.

• Doppia membrana
• Corpo pro-lamellare o centro cristallino
• DNA - ribosomi
• Tilacoidi primari isolati (con fotosistema I)
• Fitoferritina (proteina cava contenente un nucleo di ferro)
• Amido secondario
• Gocce lipidiche.

Gerontoplasti

Gerontoplasti: trattasi di cloroplasti degenerati. Appaiono nelle foglie senescenti in seguito a processi degradativi, assumono un aspetto simile ai cromoplasti, ma rappresentano uno stadio degenerativo irreversibile.

Amiloplasti

Amiloplasti. Contengono l’amido secondario, ossia quello di riserva.

Si localizzano soprattutto nei tessuti di riserva come ad esempio le radici, tuberi, rizomi, semi, frutti, etc.

Amido primario depositato come piccoli granuli nei cloroplasti durante la fotosintesi, idrolisi in dimeri di saccarosio (= 1glu+1fru), traslocazione nei tessuti di riserva, dove ri-polimerizza in amido secondario.

• Fattori endogeni (ormoni e nutrienti)
• Fattori ambientali (fotoperiodo e temperatura).

Il processo può essere reversibile: per effetto del freddo o di intensa illuminazione i cloroplasti possono arrossarsi per poi tornare verdi quando si ristabiliscono le condizioni iniziali.

Il cloroplasto

Il cloroplasto: da “khloròs” (verde) + “plastòs” (formato).

• Plastidi più abbondanti;
• Varietà di forme e dimensioni;
• Sono in grado di orientarsi rispetto alla luce;
• Si dividono in modo indipendente dalla divisione del nucleo;
• Sito della fotosintesi.

Il cloroplasto è composto da:

• Membrana esterna dotata di porine
• Membrana interna altamente selettiva, permeabile solo a molecole neutre di ridotte dimensioni;
• Spazio intermembrana
• Matrice o stroma
• Lamelle o tilacoidi (lamelle stromatiche, grana)
• Clorofille e altri pigmenti
• DNA (chDNA)
• Ribosomi
• Plastoglobuli
• Gli scambi con il citoplasma si attuano solo attraverso specifiche proteine trasportatrici

Il genoma del cloroplasto

Non tutte le proteine del cloroplasto, similmente a quanto avviene nel mitocondrio, sono codificate da DNA nucleare e importate nell’organello dal citosol. Alcune codificate dal DNA del cloroplasto e sintetizzate sui suoi ribosomi.

Il DNA cloroplastico (e mitocondriale):

• Molecola piccola, semplice e circolare;
• Priva di istoni;
• Copie multiple distribuite