Biologia vegetale

Biologia vegetale e botanica farmaceutica

La biologia vegetale studia le piante non solo come fonte alimentare. In molti campi della ricerca il regno vegetale è una importante risorsa che viene ancora oggi sfruttata.

Le piante

Le piante sono organismi adattati alla vita terrestre, sono composte da:

• Radici, svolgono la funzione di sostegno ed ancoraggio al terreno, assorbono acqua e sali minerali, accumulano metaboliti e funzioni accessorie.
• Fusto, svolge la funzione di trasporto della linfa grezza ed elaborata, sostiene le foglie (fotosintesi) e i fiori (riproduzione gamica) e funzioni accessorie.

Inoltre le piante ricoprono diverse attività, come la fissazione della CO₂ (fotosintesi), fissazione N (tramite batteri N-fissatori), producono O₂. In più, sono in grado di sintetizzare metaboliti primari (per la crescita) e metaboliti secondari (per la difesa o richiamo di insetti impollinatori) a partire da molecole inorganiche semplici. Le piante sono alla base della catena alimentare e possiamo identificarle come organismi autotrofi, sfruttano l'energia solare per produrre glucosio, nonostante ciò alcune piante non assorbono in modo efficace l'azoto.

Alcune piante possono catturare piccoli anfibi, volatili o piccoli mammiferi.

L'importanza delle piante

• L'importanza economica
• L'importanza come fonte energetica
• L'importanza come fonte alimentare
• L'importanza in medicina
• L'importanza nell'industria tessile
• L'importanza nello sport

Botanica forense

Assieme all'entomologia forense, questa branca della botanica è d'aiuto nella ricerca di persone decedute, anche da diversi anni, in zone boschive o ricche di vegetazione.

Differenza tra cellula vegetale ed animale

Caratteristiche della cellula vegetale: parete, vacuoli, plastidi, plasmodesmi.

Caratteristiche in comune: membrana plasmatica, nucleo con cromosomi e nucleolo, citoscheletro, endomembrane, ribosomi, mitocondri.

La membrana cellulare

Definisce i confini della cellula: è selettivamente impermeabile. Esistono molte affinità tra membrana plasmatica vegetale e quella animale ed anche alcune differenze:

• Presenza di fitosteroli nel doppio strato lipidico (al posto del colesterolo della cellula animale)
• Presenza di una parete cellulare esterna alla membrana con funzione di protezione della cellula vegetale
• Presenza di un complesso enzimatico (cellulosa sintetasi) sul lato esterno della membrana che contribuisce alla sintesi della parete
• Presenza di porocanali che permettono la connessione tra i citoplasmi di due cellule adiacenti

I plasmodesmi

I plasmodesmi sono porocanali che permettono alle cellule di comunicare rapidamente mediante il passaggio di segnali chimici da un citoplasma all'altro di un'altra cellula adiacente. In corrispondenza del plasmodesma, la membrana cellulare si estroflette, attraversa la parete secondaria e si unisce con la membrana della cellula adiacente.

Vie di trasporto tra cellule

Comunicazione simplastica (intracellulare) ed apoplastica (extracellulare tramite parete).

Il ciclo cellulare

Serie di eventi che conduce una cellula madre a dividersi (mitosi) in due cellule figlie. Il ciclo si può suddividere in interfase, mitosi e citodieresi.

Interfase: G1, S, G2

Per indurre la cellula vegetale ad entrare nella fase G1 occorre uno stimolo ormonale.

Fase G1

La durata è abbastanza variabile in base alle caratteristiche della cellula:

• 7/20h per apici radicali e del germoglio
• 50/150h per cellule in coltura e meristemi secondari

In questa fase è presente un'intensa sintesi proteica, inoltre in questo momento la cellula raddoppia i suoi componenti citoplasmatici, l'entrata nella fase successiva è regolata da un punto di controllo con l'attivazione del complesso ciclina-proteina chinasi (Cdk).

Complesso Cdk (ciclina-chinasi)

Ad alte concentrazioni la ciclina lega la specifica chinasi e forma il fattore di promozione della mitosi; a basse concentrazioni la ciclina tende a dissociarsi dalla chinasi (e il complesso si inattiva). L'attività di queste chinasi aumenta e diminuisce man mano che la cellula progredisce attraverso il ciclo cellulare. Il complesso Cdk inoltre attiva proteine "bersaglio" attraverso la fosforilazione. Queste proteine, a loro volta, attivano specifici eventi (es: sintesi dei componenti necessari alla replicazione del DNA).

Punto di controllo G1-S e fase S

L'entrata in fase S prevede il raggiungimento di una soglia e la sintesi di enzimi, desossi-ribonucleotidi e primer necessari alla replicazione. Durante la fase S avviene il meccanismo di replicazione del DNA in cellule vegetali il quale è simile a quello in cellule animali. All'uscita della fase S la cellula ha aumentato il suo volume ed ha raddoppiato il suo corredo cromosomico.

Fase G2

Durante la fase G2 avviene la sintesi di globuline alfa e beta per la formazione dei microtubuli del fuso mitotico e del citoscheletro. Il citoscheletro è un complesso reticolo di filamenti proteici di actina, miosina e microtubuli. Nella cellula vegetale questa grande rete di filamenti è coinvolta in molti processi cellulari come:

• Banda pre-profasica
• Formazione fuso mitotico
• Fragmoplasto
• Movimento organelli cellulari
• Direzione tessitura della cellulosa di parete

Formazione della banda pre-profasica

È una struttura caratteristica delle cellule vegetali la quale si forma alla fine della fase S e scompare durante la fase G2. La banda pre-profasica è coinvolta nel posizionamento del fuso mitotico.

Punto di controllo G2-M

La formazione dei microtubuli durante la fase G2 è una condizione necessaria per l'entrata in mitosi. La ciclina si lega ad una specifica proteina chinasi formando in complesso Cdk2. La Cdk2 (attivata) fosforila proteine bersaglio che a loro volta inducono la cellula a formare il fuso mitotico (nella posizione determinata della BPP) e ad entrare in fase M.

Uscita dal ciclo in fase G2

Una delle principali caratteristiche delle cellule vegetali è che il ciclo può interrompersi in fase G2 e la cellula ritorna in fase G0. Infatti la cellula può eventualmente rientrare nel ciclo della fase G1 e ricominciare il ciclo. Questo specifico processo è chiamato endomitosi. Il processo di endomitosi è uno dei meccanismi che porta alla poliploidia, essa è frequente nelle piante ed è normale in alcuni tessuti vegetali. Si può forzare l'uscita della fase G2 e rientro in G1 sperimentalmente. La colchina interferisce con la formazione dei microtubuli. La ciclina si degrada, il segnale di entrata in fase M si spegne e la cellula esce dal ciclo e torna in fase quiescente (G0), ciò comporta la duplicazione del corredo cromosomico non seguito dalla fase M e dalla divisione cellulare.

Piante poliploidi

Le piante poliploidi spesso presentano caratteristiche di superiorità sulle corrispondenti specie diploidi. Il genere Triticum raggruppa tutte le specie di grano coltivate:

• T. monococcum possiede 14 cromosomi (2n)
• T. durum o grano duro ha 28 cromosomi (4n)
• T. vulgare o grano tenero ha 42 cromosomi (6n)

Un ulteriore esempio di poliploidi naturale è la fragola, attualmente è un ibrido 8n originato da un incrocio avvenuto tre secoli fa.

Citodieresi nelle cellule animali

Durante la citodieresi gli organelli cellulari si ripartiscono in modo eguale nelle 2 cellule figlie. Il responsabile della divisione in due cellule figlie identiche è un anello contrattile, costituito da filamenti di actina e miosina del citoscheletro.

Citodieresi nelle cellule vegetali

Al termine della mitosi il fuso si disgrega ed i microtubuli cui era composto si organizzano a formare il fragmoplasto. Vescicole membranose prodotte dal Golgi vengono spinte da una proteina motrice lungo i microtubuli e si fondano assieme formando il plasmalemma in divisione delle due cellule figlie. Il contenuto delle vescicole (pectine e polisaccaridi) formerà la lamella mediana esterna alle due cellule neoformate. Nelle cellule vegetali la citodieresi è sovente una divisione ineguale, infatti nonostante queste due cellule abbiano corredo cromosomico simile, prenderanno vie di differenziamento diverse. Questa polarità è presente anche a livello tissutale infatti è anche evidente anche ad un livello superiore come radici ipogee, foglie e rami epigei.

Origine dei plastidi

Derivano probabilmente da un cianobatterio autotrofo acquisito per fagocitosi dal progenitore unicellulare delle alghe. L'acquisizione del cloroplasto è avvenuta dopo che, attraverso un processo simile, erano stati acquisiti i mitocondri. Sono organelli della cellula vegetali, costituite da 2 membrane quelle esterna eucariotica e quella interna procariotica, contengono molecole di DNA, RNA e ribosomi 70s. Si originano a partire da pro-plastidi e si differenziano in base:

• Al tessuto in cui appartengono (fattori genetici)
• Alle condizioni ambientali

Tipi di plastidi

Pigmentati:

• Cloroplasti: con sistema di membrane interne
• Cromoplasti: accumulo di pigmenti con funzione vessillare

Non pigmentati:

• Leucoplasti: funzione di accumulo

Differenziamento dei plastidi

La luce è un fattore necessario ma non sufficiente per la trasformazione dei pro-plastidi in cloroplasti. I fattori interni genetici hanno a volte la prevalenza su quelli esterni.

Ezioplasto

È uno stadio intermedio tra pro-plastidio e un cloroplasto, l'ezioplasto non è fotosintetico. Può capitare che un cloroplasto in mancanza di luce regredisce in ezioplasto, questi plastidi danno colorazione giallo-biancastra a foglie e fusti erbacei.

Inter-conversione dei plastidi

Nel corso dello sviluppo della pianta sono frequenti inter conversioni di un plastidiale ad un altro, il cromoplasto è la fase terminale di conversione.

Divisione dei plastidi

Nelle cellule meristematiche il numero di pro-plastidi si mantiene costante intorno a 10-20. I plastidi devono moltiplicarsi prima della divisione cellulare. La divisione avviene per scissione binaria, segue una fase di crescita che porta ad un aumento di dimensioni fino al volume soglia necessario per la successiva divisione. La replicazione del DNA plastidiale è sotto il controllo del nucleo della cellula e la duplicazione necessita di DNA polimerasi e varie topoisomerasi.

Funzione dei plastidi

Molte reazioni biosintetiche sono svolte nel citosol in organismi animali, mentre nelle piante si svolgono nei plastidi:

• Biosintesi acidi grassi
• Biosintesi aminoacidi
• Sintesi dell'amido
• Sintesi pigmento fotosintetici
• Sintesi parziale all'enzima rubisco
• Accumulo metaboliti secondari

Cloroplasti: strutture

I cloroplasti hanno 2 membrane bi-startificate, quella interna si organizza in vescicole (tilacoidi) che ne aumentano la superficie. I tilacoidi integrano e connettono assieme i tilacoidi dei grana, disposti uno sull'altro.

Funzione delle membrane

Le membrane hanno diverse funzioni, tra le più importanti possiamo identificare il lavoro di amplificazione della superficie di scambio. Inoltre sulle membrane dei tilacoidi sono posizionati i due fotosistemi responsabili delle reazioni della fotosintesi che avvengono alla luce.

Lo stroma e il lumen tilacoidale

Lo stroma è un fluido di aspetto granulare (data la presenza di DNA, RNA) presente all'esterno dei tilacoidi. All'interno dello stroma troviamo granuli di amido primario, goccioline lipidiche, enzimi per la fase oscura della fotosintesi.

Lumen tilacoidale: spazio all'interno dei tilacoidi. Si accumulano intermedi e ioni H⁺ provenienti dalla fotolisi dell'acqua durante la fase luminosa.

Dimensione dei cloroplasti

• Piante terrestri: 4-10 micron
• Nelle alghe: 100 micron
• Numero: 40-50 in una cellula del mesofillo fogliare

La membrana interna è molto sviluppata e ricca di pieghe, fornisce la sede per molte copie di enzimi pigmenti e fotosistemi. Infatti il pigmento fotosintetico più importante (clorofilla) fa parte dello strato lipidico della membrana.

Sintesi proteica nei plastidi

I plastidi sono in grado di sintetizzare alcune proteine dal loro DNA, ma alcuni geni sono presenti nel nucleo della cellula. La RuBisCo (Rubilosio-bisfosfato carbossilasi) è il più importante enzima plastidiale coinvolto nella fotosintesi, formata da 8 sub-unità proteiche grandi e 8 piccole.

Leucoplasti

Plastidi non pigmentati con funzione di accumulo e riserva di metaboliti primari. Si trovano nei tessuti di riserva non esposte alla luce (midollo e parenchima corticale dei fusti, radici, nei frutti e nei semi). Per leucoplasto si intende un involucro esterno costituito da due membrane ed uno stroma ricco di sostanze di riserva. Il sistema di membrane interno è ridotto.

Differenti tipi di leucoplasti

• Amiloplasti: dove la sostanza di riserva è l'amido secondario o di riserva
• Elaioplasti: accumulano lipidi sotto forma di goccioline d'olio
• Proteoplasti: accumulano proteine; le inclusioni sono chiamate corpi proteici e sono circondati da una membrana

Amido

Polimero ad alto PM (peso molecolare) del glucosio. La sua sintesi si svolge nei cloroplasti (amido primario), è costituito da amilosio ed amilopectina entrambi formati da glucosio. L'amilosio è a catena lineare spiralata, non ramificata di glucosio con legami alfa-1,4 glicosidici tra due molecole adiacenti di glucosio: questo causa spiralizzazione della catena. L'amilopectina è un polimero ramificato dal glucosio, costituito da catene lineari di circa 25 residui di glucosio con legami alfa-1,4 con ramificazioni in cui il glucosio è legato in posizione alfa-1,6.

Formazione amido primario

Si forma durante la fotosintesi nei cloroplasti, dove è deposto in piccoli granuli. Durante la notte non si ha fotosintesi e l'amido primario viene idrolizzato in saccarosio (glucosio + fruttosio) e trasferito negli organi di riserva. Negli amiloplasti il saccarosio viene nuovamente polimerizzato in amido secondario.

Ciclo dell'amido

• Giorno: produzione di glucosio tramite fotosintesi e formazione di amido primario.
• Notte: idrolisi dell'amido primario e trasportato in forma solubile fino agli organi di riserva dove viene nuovamente polimerizzato ad amido secondario.

Cromoplasti

Plastidi colorati per la presenza di abbondanti pigmenti: carotenoidi, flavonoidi, antociani che assorbono i raggi UV e quindi proteggono la pianta. Questi pigmenti non sono fotosintetici.

Destino dei plastidi danneggiati

I lisosomi sono il centro di riciclaggio degli organuli danneggiati, riescono nella loro funzione in quanto contengono enzimi litici che scompongono proteine, zuccheri, DNA, RNA ma anche organelli danneggiati.

Due organuli danneggiati all'interno del lisosoma

Gliossisomi: appartengono alla famiglia dei perossisomi, sono dei micro-corpi, hanno gli enzimi necessari per convertire i grassi di riserva depositati nel seme in glucosio, per permettere la germinazione.

Frammento di perossisoma: dell'embrione.

Il vacuolo

È un componente del sistema (non è un organello) endo-membrane cellulari come l'apparato di Golgi, il reticolo endoplasmatico ed i lisosomi. Sono generalmente piccoli e numerosi nelle cellule giovani. In quelle adulte ne è presente spesso solo uno di grosse dimensioni, derivante dalla fusione dei piccoli.

Trasformazione dei pro-vacuoli in vacuolo

Le cellule giovani non differenziate normalmente posseggono strutture vacuolari dette pro-vacuoli. Il processo di formazione del vacuolo inizia durante le primissime fasi del differenziamento cellulare.

Formazione e differenziamento del vacuolo

Nella cellula vegetale in accrescimento per distensione contiene più vacuoli diversi tra loro per dimensioni, forma, contenuto e funzione. A maturità la cellula vegetale ha raggiunto la dimensione definitiva e contiene un unico grande vacuolo centrale, che rappresenta lo stadio finale di un processo di fusione dei pro-vacuoli. In cellule fotosintetiche adulte, occupa la parte centrale della cellula "costringendo" i cloroplasti a disporsi lungo la parete in posizione favorevole alla captazione della luce e della CO₂.

La particolare porzione di reticolo endoplasmatico e del Golgi da cui si sviluppano i pro-vacuoli è stata identificata con la sigla GERL:

• G = Golgi
• ER = Reticolo Endoplasmatico
• L = Lisosoma

Si allunga e si espande in tubuli allungati e ramificati in cui si accumulano enzimi idrolitici. Questi tubuli formano anche delle sfere a doppia membrana, quella esterna a proteine glicosilate e quella interna no. Gli enzimi idrolasi che si trovano in mezzo alla membrana idrolizzano quella più interna lasciando esclusivamente quella esterna con le proteine glicosilate.

Apparato del Golgi

Svolge la funzione di sintesi dei polisaccaridi e maturazione delle proteine provenienti dal RER, in più contribuisce allo smistamento delle sostanze proteiche.

Relazioni tra vacuolo, Golgi e RE

• Trasporto di proteine dal reticolo endoplasmatico (RE) all'apparato di Golgi.
• Recupero di proteine residenti nel RE
• Dall'apparato di Golgi al vacuolo di riserva proteica
• Dal RE al vacuolo di riserva proteica
• Trasporto di proteine di secrezione alla membrana plasmatica (esocitosi).
• Al vacuolo litico attraverso il compartimento pro-vacuolare (PVC).
• Internalizzazione materiale extracellulare e proteine di membrana (endocitosi)

Funzioni del vacuolo

• Crescita cellulare per distensione (cellule giovani)
• Turgore cellulare (cellule adulte)

Nelle cellule adulte il grande vacuolo centrale partecipa alla fisiologia cellulare assumendo a seconda dei casi il ruolo di:

• Mantenimento dell'omeostasi del pH cellulare
• Sede di accumulo di ioni, sali minerali, metaboliti primari, sostanze di riserva
• Sede di accumulo di composti di difesa e metaboliti secondari
• Sede di processi di detossicazione