Biologia e botanica

Elementi di biologia e botanica agraria

Le piante sono eucarioti pluricellulari e quindi studiandone la cellula di fatto studiamo meccanismi di base comuni a tutte le cellule eucariotiche. Gli organismi viventi hanno delle caratteristiche specifiche perché sono organizzati, mantengono un ambiente interno costante (omeostasi), rispondono agli stimoli, sono adattati al loro ambiente e mantengono la capacità potenziale di riproduzione, accrescimento e sviluppo.

I viventi sono composti principalmente da: carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo (97-99%).

Legami

Sono le forze che uniscono gli atomi costituenti una molecola. Tutti i legami sono di natura elettrica e dipendono dalla configurazione elettronica degli atomi interessati. I principali sono:

• Covalenti
• Ionico
• Metallico
• Idrogeno
• Forze di Van der Waals

I composti del carbonio (organici) possono essere semplici (idrocarburi alifatici) o composti (aromatici che hanno struttura ad anello). Il carbonio può fare 4 legami grazie ad ibridazione sp³. Gli isomeri sono composti con identica formula grezza che possono avere struttura spaziale e comportamento differente. Ci sono tre tipi di isomeria: di legame o posizione, stereoisomeria e isomeria ottica.

L'acqua costituisce più del 50% della materia vivente, e più del 90% dei tessuti vegetali. È una molecola polare che scioglie solo i suoi simili. È il solvente in cui avvengono le reazioni biochimiche e interagisce con i lipidi (e azione idrofobica) a favore dell'integrità delle membrane.

Funzioni acqua nelle piante

• Dall'acqua le piante prendono gli elettroni per svolgere la fotosintesi
• Il movimento dei nutrienti dipende dall'evapo-traspirazione a livello delle foglie
• L'acqua serve a creare la pressione di turgore per permettere lo sviluppo di nuovi tessuti e per mantenerne la forma

Macromolecole organiche

Sono molecole di grandi dimensioni costituite da centinaia o migliaia di atomi. Sono costituite da catene ripetitive di monomeri, che mediante legami covalenti si uniscono generando polimeri.

Lipidi insolubili in acqua

Sono un gruppo eterogeneo (monomeri non tutti uguali). Sono insolubili poiché non hanno parziali cariche separate come l'acqua perché hanno legami covalenti apolari. Servono per immagazzinare energia. Contribuiscono alla struttura delle membrane cellulari (fosfolipidi) e vengono depositati esternamente alla parete (suberina e cere).

Si possono chiamare oli o grassi: oli sono liquidi a temperatura ambiente, i grassi invece sono solidi a temperatura ambiente. Gli acidi grassi sono formati da lunghe catene di atomi di C con un gruppo carbossilico, esterificato da un gruppo alcolico del glicerolo, e così si costituisce un trigliceride. Quando si hanno legami singoli tra acidi grassi la catena è lineare mentre quando sono doppi si hanno dei ripiegamenti. La saturazione e la lunghezza della catena conferisce delle caratteristiche molto diverse: temperatura di fusione, presenza di doppi legami e numero di atomi di C.

Si dicono saturi quando non sono presenti doppi legami e di solito sono solidi, invece quelli insaturi presentano doppi legami e a temperatura ambiente sono liquidi. In base al punto di fusione distinguiamo i monoinsaturi (un solo doppio legame) e i poliinsaturi (con due o più doppi legami). Gli acidi grassi insaturi sono più presenti nei vegetali mentre quelli saturi negli animali. Gli oli nei plastidi si trovano principalmente in plastidi detti elaioplasti. Negli animali abbiamo adipociti che sono piene di trigliceridi e servono come riserva e svolgono la termoregolazione.

I fosfolipidi formano le membrane cellulari (doppio strato fosfolipidico) e sono costituiti da una unità di glicerolo cui sono legati 2 acidi grassi e una molecola contenente fosfato. Sono anfipatici: presentano una testa idrofila (gruppo fosforico) e una coda idrofoba (catene di acidi grassi).

I liposomi sono doppi strati molecolari che tendono a chiudersi su se stessi originando vescicole che separano interno da esterno. I glicolipidi sono molecole anfipatiche come i fosfolipidi, ma presenti in percentuali minori nei tessuti sia animali sia vegetali. Si differenziano dai fosfolipidi per avere uno zucchero legato ad un gruppo alcolico del glicerolo in sostituzione del gruppo fosforico. Essi abbondano nelle membrane dei cloroplasti delle piante superiori.

Componenti esterni delle pareti cellulari vegetali

La cutina e la suberina sono componenti esterne delle pareti cellulari vegetali e formano le matrici in cui sono racchiuse le cere. La cutina è un polimero costituito da due gruppi di acidi grassi, uno con 16 atomi di C ed uno con 18 atomi di C collegati con legami estere tra gruppi ossidrilici e carbossilici a formare una struttura reticolare. La suberina è una miscela di acidi grassi a lunga catena, acidi grassi ossidrilati, acidi bicarbossilici, alcoli a lunga catena (>16C) e composti fenolici che legano una struttura reticolare della suberina alla parete. La porzione lipidica della suberina ne rappresenta circa il 50%. Cutina, cere e suberina sono localizzate sulle pareti cellulari e hanno una funzione strutturale e protettiva (prevengono la dispersione di acqua).

Cere

Le cere sono sostanze idrorepellenti e protettive. Sono costituite da un grasso saturo e alcooli legati da legame estere a formare lunghe catene.

Composti secondari

• Isoprenoidi, sono polimeri dell’isoprene o dei suoi derivati. Importanti sono gli steroli come colesterolo (nella membrana plasmatica animale), sitosterolo e l’ergosterolo in alcuni funghi.
• Ormoni vegetali come le gibberelline.
• Carotenoidi, sono polimeri insolubili in acqua ma facilmente solubili in alcool e in diversi solventi organici. I più noti sono il beta-carotene, che conferisce colore arancio alle radici di alcune varietà di carota, il licopene, che colora di rosso il pomodoro, e la luteina, una xantofilla presente in quasi tutte le foglie. Si localizzano nei cromoplasti.
• Oli essenziali, i loro principali costituenti sono i terpeni. Canfora, limonene e mentolo sono i più noti. Un olio essenziale assai noto è la trementina, estratta da diverse specie di Pinus e ha la funzione difensiva nei confronti di alcuni insetti.
• Gomma, il più grande isoprenoide. È presente nel lattice e la sua funzione naturale è collegata alla difesa contro gli attacchi di alcuni parassiti e degli erbivori.

Carboidrati

Sono i più abbondanti composti organici presenti in natura. Costituiscono la principale fonte di molecole che partecipano a trasformazioni energetiche e ad altri processi metabolici; inoltre hanno funzione di riserva energetica e strutturale. I polisaccaridi sono polimeri composti da monosaccaridi (monomeri), mentre i monosaccaridi sono formati da una catena di atomi di C alla quale sono attaccati atomi di H e O, nella proporzione CH₂O.

I monosaccaridi, caratterizzati da un gruppo aldeidico, sono definiti aldosi (C=O alla fine della catena) se no sono chetosici (C=O in mezzo alla catena). Il gran numero di composti organici differenti è dovuto anche al fenomeno dell’isomeria. Questa può essere di legame (posizione), stereoisomeria o isomeria ottica.

In base al numero di atomi di carbonio i monosaccaridi possono distinguersi in triosi, tetrosi, pentosi… La conformazione ad anello dei monosaccaridi è tipica quando questi sono immersi in ambiente acquoso. L’anello deriva dalla formazione di un ponte -O- tra gli atomi di carbonio 1 e 5 o 1 e 4. Le strutture ad anello sono molto stabili.

I polimeri degli zuccheri possono essere disaccaridi, oligosaccaridi o polisaccaridi (>10 monomeri). Legami glicosidici alfa e beta.

Il saccarosio è un disaccaride formato da 1 molecola di alfa-glucosio e una beta-fruttosio. I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi. I più importanti polisaccaridi con funzione di riserva nutritiva negli eucarioti sono amido e glicogeno. Amido e glicogeno sono polimeri del glucosio. L’amido è la più importante forma di energia accumulata come riserva nei vegetali. Il glicogeno idrolizzato è presente negli animali e nei funghi. Amido e glicogeno possono liberare glucosio per aggiunta di acqua e liberazione di energia.

L’amido è formato da amilosio e amilopectina e si trova nelle piante. Il glicogeno si trova negli animali (fegato). L’amido può trovarsi sotto forma di granuli nelle parti verdi delle piante con funzione di deposito temporaneo (amido primario) o negli amiloplasti degli organi di riserva con funzione di deposito a lunga durata (amido secondario). Il glicogeno è simile all’amilopectina ma più ramificato (forma granuli nel fegato ad esempio).

La cellulosa è un carboidrato strutturale nelle cellule vegetali. È la più abbondante sostanza organica sulla terra. Circa 40 molecole di cellulosa si riuniscono in una fibrilla elementare; diverse di queste si riuniscono in microfibrille a loro volta in macrofibrille. La struttura che ne risulta è molto resistente.

Le pectine sono eteropolisaccaridi che derivano dall’acido peptico che è polimero dell’acido galatturonico. Hanno un’importanza funzione strutturale e costituiscono la porzione fondamentale della lamella mediana nella parete cellulare, indispensabile a cementare fra loro le cellule. Sono particolarmente abbondanti nei frutti e possono venire sfruttate industrialmente come addensanti per la fabbricazione di gelatine e marmellate.

Altri carboidrati sono le emicellulose che sono costituite da pectine legate ad un altro polisaccaride ramificato e sono costituenti della parete cellulare. Esempi sono gli xilani, i galattani e i mannani.

I fruttani sono riserva energetica derivanti dal fruttosio e non dal glucosio. Sono molto solubili. Quasi tutti derivano dal saccarosio per aggiunta successiva di monomeri di fruttosio, pertanto presentano una unità terminale di glucosio. Ad essi fanno parte le inuline.

Proteine

Le proteine sono polimeri composti da monomeri (amminoacidi). Sono polimeri non ramificati. Gli amminoacidi sono legati tramite legame peptidico. Sono molto versatili perché svolgono diverse funzioni essendo composte da monomeri diversi legati tra loro.

Gli amminoacidi essenziali sono 20 e sono quelli che compongono le proteine. Ognuno dei 20 amminoacidi proteici è codificato dal codice genetico. Sono caratterizzati da un gruppo amminico (NH₂), un gruppo carbossilico (COOH) e un residuo R caratteristico per ogni amminoacido.

Si possono distinguere diverse categorie di amminoacidi in base alle caratteristiche chimiche del residuo R: alifatici, aromatici, acidi, con gruppo ammidico, basici e contenenti zolfo.

Le proprietà delle proteine dipendono dalle proprietà degli amminoacidi che le compongono. Il legame peptidico è il legame che si instaura tra due amminoacidi adiacenti tra gruppo ammidico e quello carbossilico dell’amminoacido successivo.

Strutture delle proteine

• Primaria: sequenza degli amminoacidi che la compongono. Sono legati mediante legame peptidico e le piccole proteine che si formano vengono chiamate peptidi.
• Secondaria: interazioni chimiche tra amminoacidi vicini tra loro. Può essere alfa-elica (ponti idrogeno che interessano l’ossigeno (C=O) coinvolto in un legame peptidico e l’idrogeno (=NH) coinvolto in un altro) o beta-foglietto (ponti idrogeno tra legami peptidici vicini appartenenti a porzioni ripiegate della stessa catena o fra catene parallele). I gruppi R sporgono sopra e sotto.
• Terziaria: data dalle interazioni fra amminoacidi anche distanti che interagiscono portando ripiegamenti e spiralizzazioni dovute non solo da ponti idrogeno ma anche ponti disolfuro, legami ionici e forze idrofobiche.
• Quaternaria: deriva dal coinvolgimento di più proteine, codificate da diversi geni, legate da legami deboli e talora da altre componenti. Emoglobina ne è un esempio, in mezzo abbiamo i gruppi eme.

Rubisco è una proteina grossa delle piante che fissa anidride carbonica durante la fotosintesi. Le diverse funzioni delle proteine sono: strutturali, riserva, fattori trascrizione, protezione membrana ed enzimi.

Enzimi

Gli enzimi sono proteine globulari che funzionano da catalizzatori biologici. Un catalizzatore è una sostanza che è in grado di aumentare la velocità di reazione. I reagenti delle reazioni enzimatiche sono detti substrati. Questi si legano ad una piccola regione dell’enzima chiamata sito attivo.

Gli enzimi allosterici (costituiti da più subunità) possiedono uno o più siti allosterici, distinti dal sito catalitico, capaci di legare molecole regolatrici, dette effettori allosterici. La maggior parte prende nome dal substrato al quale possono legarsi o dalla reazione che catalizzano con l’aggiunta del suffisso -asi.

Diversi enzimi contengono una porzione non proteica: gruppo prostetico talora legata a uno ione metallico, indispensabile per l’attività enzimatica. In qualche caso il gruppo prostetico è rappresentato da un pigmento. Le proteine possono essere alterate fisicamente da fattori esterni quali temperatura, pH, luce… tale alterazione prende il nome di denaturazione che le fa perdere la funzione e può essere irreversibile. Negli enzimi determina la perdita di attività catalitica.

Possono esistere anche insieme ad altre macromolecole: lipoproteine, glicoproteine (rivestono ruoli di riconoscimento e comunicazione inter- e intra-cellulare), cromoproteine, fosfoproteine e nucleoproteine.

Acidi nucleici

Lo scheletro della molecola dei due acidi nucleici è composto da un legame forte (fosfodiesterico) che si instaura tra zucchero e il fosfato di due nucleotidi adiacenti. I nucleotidi sono la struttura base degli acidi nucleici e sono costituiti da un gruppo fosfato, uno zucchero e una base azotata (purina con due anelli o pirimidina con un singolo anello).

Gli acidi nucleici depositano, codificano e trasmettono informazione genetica. Il deossiribosio è un pentoso che differisce dal ribosio per l’assenza di un atomo di ossigeno.

Dogma centrale

La cromatina è contenuta nel nucleo cellulare è costituita da DNA complessato con proteine basiche definite istoni. Essa si può presentare in due forme:

• Eucromatina: è la forma meno condensata e rappresenta lo stato attivo del DNA cromosomico, il quale in questo stato può essere trascritto. L'eucromatina si trova soprattutto nel nucleo di cellule svolgenti un ruolo attivo nella sintesi di proteine, come neuroni, ovociti o cellule staminali;
• Eterocromatina: è la forma più condensata e rappresenta lo stato inattivo del DNA cromosomico. Essa si divide in eterocromatina costitutiva, mantenuta costantemente in forma condensata, e in eterocromatina facoltativa, la quale varia il suo stato di espressione in base allo stato di differenziamento della cellula (es. nella forma staminale i geni sono quasi tutti attivi, ma con il differenziamento un numero variabile di geni verrà inattivato andando a formare eterocromatina facoltativa).

Il DNA all'interno del nucleo non si trova in forma filamentosa, ma tende a organizzarsi con diversi ordini di avvolgimento, i quali hanno origine dal semplice nucleosoma, unità base della cromatina costituita da un complesso di 8 istoni avvolti da un tratto del filamento di DNA, fino ad arrivare al cromosoma; quest'ultimo rappresenta la forma più condensata della cromatina ed è visibile al microscopio ottico solo durante i processi di divisione cellulare.

Replicazione DNA

La replicazione del DNA è un processo molecolare che porta alla formazione di due molecole di DNA identiche. In tutte le cellule, la replicazione del DNA si definisce semiconservativa, poiché da una doppia elica madre si ottengono due doppie eliche figlie formate da un filamento di neosintesi (filamento nuovo) e da un filamento madre (filamento conservato). Nel corso della divisione cellulare, che avviene in una fase successiva, a ciascuna delle due cellule figlie andrà una delle due copie di doppie eliche.

Al processo di duplicazione partecipano diversi enzimi e proteine, e si tratta globalmente di un meccanismo complesso in cui alcune funzioni possono sovrapporsi. Il modello più conosciuto è senza dubbio quello procariotico, studiato sulle popolazioni di Escherichia coli; quello eucariotico segue uno schema simile ma più finemente regolato. Gli enzimi fondamentali della replicazione, la cui conoscenza è importante per la medicina in quanto rappresentano importanti bersagli per gli antibiotici, sono qui riportati in ordine di intervento:

1. L'elicasi svolge e apre i due filamenti rompendo i legami a idrogeno tra le basi azotate.
2. Le SSB stabilizzano la molecola nella conformazione aperta, facendo in modo che le basi non riformino nuovamente i legami a idrogeno rotti dall'elicasi.
3. L'enzima primasi sintetizza un RNA primer su entrambi i filamenti.
4. La DNA polimerasi III, partendo dal primer, aggiunge le basi esclusivamente in direzione 5' → 3' su entrambi i filamenti. Essendo i due filamenti di DNA antiparalleli, la sintesi del nuovo filamento potrà procedere in senso 5' → 3' e in modo continuo solo su uno dei due filamenti originari (quello 3' → 5'), il quale prenderà il nome di filamento leading. Sull'altro filamento (quello 5' → 3'), chiamato filamento lagging, dal momento che la DNA polimerasi III non può sintetizzare in senso 3' → 5', la replicazione procederà in modo discontinuo. La primasi, infatti, sintetizza numerosi primer che permettono alla DNA polimerasi III di sintetizzare in modo discontinuo ed in senso 5' → 3' delle corte catene di nucleotidi che prendono il nome di frammenti di Okazaki.
5. Successivamente, la DNA polimerasi I si attiva, ...