Biologia vegetale

Biologia vegetale

Prof. Gelsomina Fico 04/03/2019

Visione fitocentrica: la pianta è al centro.

Digitalis purpurea: "Digitale". Ha un ruolo terapeutico, infatti è importante per la terapia cardiaca. Connubio bellezza-tossicità —> la differenza la fa la dose. Quando si ha a che fare con una specie vegetale che ha uso terapeutico è importante saper dosare perché esse producono sostanze dette principi attivi.

Una pianta essendo caratterizzata da immobilità non ha necessità di muoversi, ha solo bisogno di luce, acqua e anidride carbonica per poter fare la fotosintesi clorofilliana. Essendo immobile la pianta deve adottare strategie per difendersi, come il produrre sostanze tossiche per difendersi da avventati predatori.

Biologia vegetale

La biologia vegetale è la branca della biologia che studia le piante.

Componenti essenziali di una pianta

• Radici
• Fusto
• Foglie. I fiori sono foglie trasformate, così come i frutti —> tutte le altre componenti della pianta sono trasformazioni delle precedenti

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da molecole organiche (lipidi, carboidrati, proteine, acidi nucleici). Le piante producono materia organica partendo da materia inorganica, invece gli animali, che sono "organismi eterotrofi" devono necessariamente assumere sostanze organiche per costruire le proprie molecole organiche —> fare la fotosintesi significa organicare la materia. Da anidride carbonica e acqua (sostanze inorganiche) si arriva a una sostanza organica, il glucosio. Proprio per questa capacità di organicare la materia, le piante, sono detti "organismi autotrofi".

La materia organica è costituita da carbonio e idrogeno, quindi H₂O (presa dalle radici) e CO₂ (presa dall’ambiente aereo) sono sostanze inorganiche mentre il glucosio che è il prodotto della fotosintesi è una sostanza organica (C₆H₁₂O₆). Le piante per la capacità di fare la fotosintesi sono produttori. In tutte le comunità di viventi gli organismi autotrofi svolgono il ruolo di essere produttori, essi producono le molecole organiche delle quali si nutrono gli organismi eterotrofi, che sono quindi i consumatori.

Somiglianze pianta-animale

• Hanno in comune un gran numero di molecole
• Hanno in comune molti processi metabolici
• La respirazione

Nel 1850 Robert Mayer diede la prima definizione di fotosintesi: via di sintesi di molecole organiche, rappresentate da carboidrati, a partire da acqua e anidride carbonica, utilizzando l’energia luminosa proveniente dal sole.

Differenze pianta-animale

La pianta ha caratteristiche morfologiche e funzionali che la distinguono da un animale. La pianta infatti ha adottato strategie per difendersi differenti proprio perché è caratterizzata da immobilità. Il fine ultimo, in qualsiasi caso, è la propagazione della specie, quindi ci devono essere sia delle strategie di difesa sia delle strategie attrattive come il colore e l’odore della pianta.

Gli odori: sulla superficie di molte piante si trovano dei peli ghiandolari. Sfiorandoli tali peli si rompono e liberano l’aroma della pianta. Esse sono sostanze a basso peso molecolare per potersi liberare nell’aria.

Le piante per poter procurarsi il maggior quantitativo di acqua hanno sviluppato un ampio apparato radicale. Con le radici c’è il massimo assorbimento di acqua.

• Radice a fittone: radice con un asse principale da cui dipartono le radici laterali
• Radice fascicolata: non c’è la radice principale. La radice principale degenera quindi è formata da radici parallele. Non vi è un asse principale

Molte radici sono tuberizzate perché fungono da accumulo di sostanze di riserva. Con lo sviluppo la pianta ha sviluppato ampie superfici fogliari per poter assorbire il maggior quantitativo di CO₂ che è il secondo reagente della fotosintesi. Le foglie si sono adattate anche alla tipologia di ambiente, per esempio in un ambiente molto arido le foglie devono ridurre la propria superficie per evitare di perdere troppa acqua.

L’esposizione di ampie superfici permette anche un efficiente assorbimento della radiazione solare. Se le piante hanno adottato la strategia di espandere le superfici sia per acqua che per anidride carbonica, hanno bisogno anche di un rinnovo di queste superfici. Infatti, nel periodo autunnale, vi è il rinnovo di foglie.

Le piante sempreverdi hanno un ricambio graduale, non vengono coinvolte tutte le foglie, ma di volta in volta alcune quindi la chioma viene mantenuta mentre vi è il rinnovo (noi non ci accorgiamo). —> durante tutto il corso della vita di una pianta c’è un continuo rinnovo di radici e foglie.

Tra ramo e inserzione della foglia (ascella) si trova una gemma. Se la foglia è stata persa resta una cicatrice molto piccola, quindi a questo livello dell’ascella si trova una gemma. Le parti della pianta godono di larga autonomia. La pianta può perdere alcune sue parti senza che la sua sopravvivenza sia in pericolo.

In sintesi

Le piante sono organismi autotrofi, immobili e hanno grande sviluppo di superficie di radici e foglie. Hanno un’organizzazione decentrata: le piante perdono delle parti senza mettere in pericolo la loro sopravvivenza. Le piante possono andare incontro ad un accrescimento indefinito cioè i punti cruciali che garantiscono l’accrescimento si trovano sui punti apicali. Anche nella parte basale, l’apparato radicale cresce, quindi si avrà sempre una gemma apicale, all’apice del fusto, e una gemma all’apice della radici. Tali gemme sono microscopiche. Le piante essendo organismi immobili hanno sviluppato un grande adattamento con l’ambiente.

Box

I nomi scientifici sono in latino, nomenclatura binomia linneana. Si scrive sempre in corsivo; è costituita sempre da due nomi. Il primo, sempre maiuscolo, indica il nome di appartenenza, mentre il secondo è detto epiteto specifico che si riferisce alla specie.

Es: Olivo = Olea europaea

Perché le piante sono importanti?

• Per la produzione di ossigeno: l’ossigeno è un prodotto di scarto. È un composto che ha iniziato ad essere emesso circa 2 miliardi di anni fa. È in quest’epoca che si sono sviluppati gli organismi fotosintetici e quindi si è iniziato ad emettere ossigeno. Si è iniziato ad avere un accumulo di ossigeno che grazie a reazioni ionizzanti si è potuto formare lo strato di ozono, fondamentale per la sopravvivenza sulla Terra.
• Influiscono la piovosità e il clima: le piante assorbono acqua attraverso le radici. Solo una piccola parte dell’acqua assorbita è utilizzata al fine della fotosintesi. Gran parte è emessa dalle parti aeree, le foglie, per evaporazione quindi come vapore acqueo. Queste emissioni garantiscono il mantenimento dell’umidità atmosferica, influenzando la formazione delle nuvole e quindi influenzando la piovosità e il clima.
• Per la produzione di sostanze organiche
• È fonte alimentare: es: la mela non è un frutto, ma è un torsolo. La parte succosa è un rigonfiamento del ricettacolo (in particolare dell’ovaio). Il picciolo è il peduncolo fiorale. All’apice si trovano residui di calice.
• Per la cura della salute umana

Corolla

Gli elementi della corolla sono i petali.

Calice

Formato da singoli elementi detti sepali.

Ricettacolo

Prendono inserzioni i componenti floreali che possono essere:

• Vessillari come la corolla e i suoi elementi (petali)
• Riproduttiva costituiti da androceo e gineceo

Gineceo

Insieme dei pistilli.

Androceo

Istituito dall'insieme degli stami.

Piante medicinali

Piante che contengono sostanze a fini terapeutici o precursori che consentono di ottenere per emisintesi composti terapeuticamente attivi. Ma anche piante che se assunte direttamente, possono provocare modificazioni funzionali, prevenire o curare stati di malattie, ristabilire o correggere funzioni organiche.

Es: pianta del salice: il salice produce l’acido salicilico e per emisintesi si può ottenere l’acido acetilsalicidico.

• Per tenere lontani e distruggere o rendere inoffensivi parassiti e agenti nocivi all’uomo e agli animali. Il piretro, per esempio, è nocivo per gli insetti dannoso per l’uomo, ma per le sue proprietà di ridotta persistenza nell’ambiente e di bassa tossicità per l’uomo e i mammiferi è un antiparassitario per uso agricolo.
• Per l’effetto ricreativo, riposante e rilassante

È importante sottolineare però che il 90% delle sostanze tossiche deriva dalle piante. L’uso delle sostanze estratte da piante deve essere fatto con estrema cautela.

Problemi legati all’uso delle piante medicinali

1. Rischio di estinzione delle tante spontanee.
2. Problemi legati alle possibili interazioni con l’uso di altri farmaci: dalle piante si possono ottenere dei principi attivi per la cura della salute umana, quindi bisogna fare attenzione perché l’assunzione di una componente vegetale può avere un effetto sovrapponibile a quello del farmaco andando a potenziarlo o a inibirlo.
3. Tossicità: le piante sviluppano sostanze tossiche in virtù della loro immobilità, per difendersi.

Componenti chimiche dei viventi

Nigella damascena: attività diuretica. I semi se tenuti tra le mani liberano un aroma di fragola. Per questo è una pianta utilizzata come aromatizzante. I semi vengono liberati alla base della pianta, vi è una sorta di disseminazione da parte delle formiche che sono attratte da tale aroma. I semi sono quindi portati lontano dalla pianta madre. La disseminazione è una strategia atta ad allontanare la futura pianta da quella madre, questo per evitare la competizione per acqua e luce che si può creare tra pianta madre e pianta figlia.

Importanza dell’acqua

Quando si parla di materia vivente si parla sia di organismi vegetali che di organismi animali. L’acqua è una sostanza inorganica ed è reagente di molte reazioni chimiche, per esempio è reagente fondamentale della fotosintesi. Le reazioni metaboliche avvengono in soluzione acquosa. Tra gli atomi di idrogeno e quelli di ossigeno, all’interno di una molecola di acqua, sono legati da legame covalente. Le varie molecole di acqua sono legate tra loro da legami a idrogeno.

Aloe vera: pianta grassa/succulente. I frutti carnosi, come l’aloe vera o l’anguria, hanno un contenuto di acqua di oltre il 90%. I frutti secchi o i semi rappresentano le componenti delle piante con il minor quantitativo di acqua, infatti è compreso tra 1 e 5% (il seme della spiga è un frutto) —> il contenuto di acqua nei vegetali è molto variabile.

Il seme contiene l’embrione, cioè una futura pianta, e in un seme il quantitativo di acqua deve essere limitato. Se in un seme ci fosse grande quantità di acqua si arriverebbe a una serie di reazioni che porterebbero alla nascita della pianta. Tuttavia il seme è quiescente, esso infatti germoglierà solo quando le condizioni climatiche e nutrizionali lo consentono. —> se ci fosse grande quantità di acqua non si avrebbe il periodo di quiescenza.

Sostanze inorganiche

Sono presenti come ioni in soluzione acquosa. Es: K⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Fe^++/+++, Mn⁺⁺, NH₄⁺, H₂PO₄^-, SO₄^--, Cl^-, HCO₃^-, NO₃^-. Questi sono indispensabili per la sopravvivenza della pianta.

Sostanze organiche

• Proteine
• Carboidrati
• Lipidi
• Acidi nucleici

Proteine

Sono polimeri di amminoacidi. Presentano un gruppo NH₂ terminale e un gruppo COOH terminale.

Proteine ad attività enzimatica

• Carica papaya: Papaya: riferimento proteico: papaina
• Bromelia ananas: Ananas: riferimento proteico bromelina
• Ficus carica: Fico: riferimento proteico: ficina

Droga: parte della pianta con il più alto tenore in principi attivi.

Nel caso dell’ananas, la droga è il frutto maturo che contiene acidi organici, vitamine, zuccheri e l’enzima bromelina che ha attività proclitica (scinde). La bromelina facilita la digestione e ha azione antinfiammatoria.

Nel caso della papaya, la droga è costituita da latice di frutti immaturi (sostanza repellente). L’uomo ha imparato a fare uso del latice poiché è ricco di papaina che è un enzima proteolitico ed è utilizzato in caso di insufficienze gastriche e duodenali. È in grado di rendere più digeribile alcune sostanze: la papaina si usa quindi nell’industria per rendere tenera la carne e favorire la digestione.

Nel caso del fico, la droga è costituita da frutti e foglie a proprietà bechiche (combatte la tosse e facilita l’espettorazione) ed emmenagoghe (ristabilisce o rende regolare il ciclo mestruale). I frutti sono ricchi di zuccheri, vitamine e ingeriti hanno effetti lassativi. Il latice nel fico si ottiene incidendo il fusto, con l’aria poi rapprende e forma la ficina, un miscuglio di protesi ad attività simile alla papaina.

Latice: componente ricca di enzimi proteolici in papaya e fico.

Tempo balsamico: tempo. Solo quando il seme è maturo bisogna attirare i disseminatori, per questo un frutto acerbo ha un colore verde che si confonde con il resto della vegetazione, mentre un frutto maturo, che deve attirare i disseminatori, ha un colore vivido. I frutti acerbi contengono per questo sostanze sgradevoli.

Carboidrati

(CH₂O)_n Sono idrati del carbonio. Possono essere:

• Monosaccaridi: zuccheri semplici
• Disaccaridi: 2 molecole di monosaccaridi.
• Polisaccaridi: molecole multiple di monosaccaridi

I carboidrati in soluzione acquosa ciclizzano. Il gruppo aldeico o chetonico reagisce con il gruppo OH (ossidrile) formando così una molecola ad anello.

Tra alfa glucosio e beta glucosio cambia la posizione del gruppo ossidrile in posizione 1.

Monosaccaridi: due monosaccaridi fondamentali sono il glucosio e il ribosio. Il glucosio è formato da una catena a 6 atomi di C (esoso) mentre il ribosio è formato da una catena a 5 atomi di C (pentoso).

Disaccaridi: due monosaccaridi si uniscono con un legame glicosidico per formare un disaccaride. Due importanti disaccaridi delle piante sono:

• Maltosio: formato da 2 molecole di glucosio
• Saccarosio: formato da 1 molecola di glucosio e 1 di fruttosio

Beta vulgaris L (la L sta per Linneo, colui che per la prima volta ha descritto la specie): è la barbabietola da zucchero, fa parte della famiglia delle Chenopodiaceae. È una specie biennale, cioè il suo ciclo vitale si conclude in 2 anni. Durante il primo anno accumulano grandi quantità di sostanze di riserva a livello della radice (saccarosio), nel secondo anno utilizzano tali sostanze per andare in fioritura. In coltura, per l’estrazione del saccarosio la pianta è raccolta al completamento del primo anno, prima che la pianta vada in fioritura. La droga è rappresentata dalla radice. Tempo balsamico: momento più opportuno per effettuare la raccolta della droga.

Saccharum officinarum L: fa parte della famiglia delle Germineae. È una pianta tropicale, il saccarosio si concentra a livello del fusto. È una pianta alta circa 4-5 metri. È di interesse alimentare, ma anche come connettivo e veicolo di farmaci.

Polisaccaridi

Gigantesche catene di monosaccaridi legati tramite legame glicosidico. Possono essere uguali o diversi, ramificati o lineari. Sono insolubili in acqua. Due polisaccaridi fondamentali nelle piante sono:

• Amido: funzione di riserva
• Cellulosa: funzione strutturale

(Negli animali, invece, il glicogeno è il polisaccaride più importante)

A livello del cloroplasto avviene il processo fotosintetico. Il glucosio polimerizza e viene accumulato, momentaneamente, nel cloroplasto sotto forma di amido. Viene poi portato in altri luoghi di accumulo.

Quando si parla di amido si parla di molecole di diverso tipo; la differenza sta nella struttura: una a catena lineare (amilosio) e una a catena ramificata (amilopectina).

Amido

L’alfa glucosio è il monomero dell’amido. Formato da due tipologie di molecole:

• Amilosio: catena lineare formato da 200-2000 unità di alfa glucosio. Essi sono legati tramite legami 1-4 alfa glicosidici (coinvolti il carbonio 1 e 4). Analizzando tridimensionalmente la molecola, essa appare ripiegata su sé stessa a formare un’elica.
• Amilopectina: è una catena ramificata formata da centinaia di monomeri di alfa glucosio. I legami sono di tipo 1-4 glicosidici, ma anche 1-6 glicosidici, per poter formare le ramificazioni.

Cellulosa

L’unità costituita è il beta glucosio. Si ripetono circa 300-15000 unità di beta glucosio. I legami sono di tipo 1-4 beta glucosio. Vi è la formazione di ponti idrogeno tra i gruppi ossidrili delle molecole che formano microfibrille di cellulosa. Circa 80 molecole di cellulosa si associano a formare 1 microfibrilla.

Funzioni generali dei carboidrati

• Zuccheri semplici: fonte dell’energia/ combustibili della cellula
• Polisaccaridi
  • Materiali di riserva (amido nelle piante e glicogeno in animali e funghi)
  • Elementi strutturali (cellulosa)
  • Riconoscimento tra cellule (associati a proteine e lipidi)

Lipidi

Gruppo molto eterogeneo, ma riguardano tutte le molecole che hanno una caratteristica in comune, quella di derivare da acidi grassi. Sono sostanze solubili in solventi organici, ma non in acqua. Gli acidi grassi sono formati da lunghe catene di atomi di carbonio con un unico gruppo carbossilico all’apice. Gli acidi grassi si distinguono in saturi e insaturi.