Cito-Istologia Vegetale (ex Botanica)

Cito-istologia e anatomia vegetale (ex botanica)

Organizzazione degli organismi

Tutti gli organismi sono costituiti da: atomi e molecole, gli elementi più semplici; cellule, aggregati di atomi. Le cellule si aggregano a formare i tessuti che a loro volta formano gli organi. Gli organi formano gli apparati. Anche nelle piante troviamo questa organizzazione gerarchica, compresa di organi (foglie ecc.) e apparati (apparato fotosintetico ecc.).

Teoria riduzionista

Tutte queste parti sono state analizzate grazie a una teoria, detta riduzionista, secondo la quale tutto può essere scomposto in elementi semplici. Questa teoria ha i suoi limiti in quanto gli elementi, presi singolarmente, non hanno tanto senso; gli elementi acquistano la loro funzione se visti nell'insieme in cui lavorano.

La cellula e i suoi pionieri

La biologia ha come unità di base la cellula (prende il nome dalle celle dei monaci), al cui interno ci sono varie strutture. I primi a studiare la cellula furono Robert Hooke (osservò il sughero e vide queste celle) e Antoni van Leeuwenhoek (osservò le cellule del sangue e gli spermatozoi), grazie ai microscopi che entrambi migliorarono. La scoperta fu valorizzata da Schleiden e Schwann che compresero che il fondamento di tutti gli esseri sono le cellule, molto diverse tra loro, per componenti, funzioni e dimensioni.

Tipi di cellule

La cellula è formata da: atomi, molecole, organuli, macromolecole, strutture e funzioni. La cellula può essere eucariota e procariota: le cellule procariote sono più piccole e sono comparse prima, sono prive di nucleo. All'interno delle cellule è contenuto il materiale genetico (DNA), visualizzato per la prima volta da Watson e Crick e da Rosalind Franklin.

Origine della vita

L'origine della vita ha radici molto più antiche di quanto si pensasse fino all'800 (4.5 miliardi di anni fa). A partire da sostanze inorganiche, sono cominciate a nascere sostanze organiche, soprattutto in ambiente acquoso, che via via sono andate specificando e organizzandosi.

Teoria L.U.C.A.

Ipotesi L.U.C.A. (last universal common ancestor): è una teoria riguardante il progenitore dal quale tutti gli organismi attuali discenderebbero. In quanto tale, l'organismo in questione rappresenterebbe l'antenato comune più recente dell'insieme di tutti gli attuali organismi viventi. Si stima sia vissuto tra 3,6-4,1 miliardi di anni fa.

Così come è il progenitore comune più recente di tutto l'insieme degli esseri viventi attuali, probabilmente lo è anche di tutti quelli conosciuti come fossili, sebbene non si possa scartare teoricamente il fatto che si possano identificare resti di altri esseri viventi della sua stessa o maggiore arcaicità.

Evoluzione e biodiversità

L'evoluzione si è così divisa in ere, fino ad arrivare al Giurassico, quella della comparsa dei dinosauri, che si sono poi estinti a causa dell'impatto di un asteroide nel Golfo del Messico, a milioni di anni fa. 200,000 anni fa, compare sulla Terra l'Homo Sapiens.

Gli organismi interagiscono a formare l'ecosistema diviso in: organismi produttori a partire dalla luce solare (piante e altri organismi fotosintetici) e organismi consumatori (animali compresi). Tutto questo trasformarsi di energia ha creato quello che conosciamo oggi. Molti organismi vivono in simbiosi con altri (licheni, alghe, funghi ecc. sulle piante) e fungono da bio-indicatori in quanto molto sensibili alle modifiche ambientali dovute all'inquinamento.

Classificazione degli organismi

L'uomo, per conoscere bene la natura, l'ha classificata in:

• Regno (ex quello delle piante, 275,000 specie)
• Filum (ex tracheofite, dotate di vasi)
• Classe (angiosperme, gimnosperme; le uniche classi che producono semi; angio= seme protetto 1 pianta con fiori, gymno= seme nudo)
• Ordine (ex rosales)
• Famiglia (rosaceae)
• Genere (rosa)
• Specie (rosa gallica)

A partire da organismi molto semplici, le piante si sono man mano organizzate e diversificate; un'ipotesi è quella che, a partire da alghe marine, si siano evolute fino ad arrivare alle piante terrestri grazie all'espansione de???

Processo di diversificazione

Il processo di diversificazione degli organismi è il frutto di una selezione naturale in cui sopravvive chi riesce ad adattarsi meglio. Questa diversificazione dà origine a quella che viene definita biodiversità: la ricchezza di vita sulla Terra.

Il metodo scientifico

Come procede la scienza? Con il metodo scientifico, un procedimento ipotetico-deduttivo, basato su dati osservati, riproducibili e verificabili ripetutamente. Gli organismi viventi, atomi e molecole sono alla base del grande organismo che è la biosfera terrestre (definito Gaia, come la dea primordiale che personificava la Terra); essi si organizzano in modi diversi per dare vita ai vari organismi. L'elemento fondamentale alla base della vita è il carbonio, insieme ad altri 5 fondamentali (O, H, N, P, S), che costituiscono il 96% di tutta la biomassa.

Composizione della biomassa

• O: 66%
• C: 22%
• H: 9,5%
• N: 3,3%
• P: 1%
• S: 0,3%

Questi formano le macromolecole. Gli altri elementi rientrano in alcuni processi del metabolismo cellulare. Gli atomi costituiscono sia la materia organica che inorganica, sono formati da protoni neutroni (nucleo) ed elettroni. Le forze di attrazione e repulsione mantengono gli elettroni intorno al nucleo come una nube che ruota quasi alla velocità della luce, seguendo gli orbitali. Protoni e neutroni formano il nucleo atomico e sono le particelle più pesanti.

Isotopi e decadimento radioattivo

Gli elementi, sulla tavola periodica, si dispongono in righe e colonne secondo il loro numero atomico (numero di protoni presenti). In natura esistono delle forme isotopiche degli elementi, che differiscono solo per il numero di neutroni (gli isotopi dell'idrogeno sono il deuterio e il trizio). Gli isotopi spesso sono instabili e vanno incontro a decadimento radioattivo, quando i neutroni in eccesso si trasformano ed emanano radiazioni. Gli isotopi trovano applicazione in datazioni biologiche e mediche ed è possibile (in funzione del tempo di dimezzamento che ha il C14 dopo la morte di un organismo, è possibile capire quando ha vissuto).

Stabilità degli atomi

L'atomo presenta dei livelli energetici sui quali si distribuisce la nube elettronica. Gli elettroni presentano, in funzione del livello, un particolare valore di energia potenziale; per passare da un livello all'altro bisogna fornire energia (stato eccitato), che poi viene ceduta per ritornare allo stato fondamentale. L'esempio più classico è quello dello stato di eccitazione dell'elettrone nella molecola di clorofilla, che viene colpita dai fotoni della luce solare e innesca il processo fotosintetico.

Gli elementi con 8 elettroni nello strato più esterno (elettroni di valenza), sono gli elementi stabili perché non devono cedere o acquistare elettroni per raggiungere l'ottetto (gas nobili). Tutti gli elementi tendono a raggiungere, nel livello più esterno, l'ottetto per stabilizzare la loro struttura, per questo si legano con altri elementi per condividere, cedere o acquistare 2 elettroni.

Legami chimici

Questo lo fanno attraverso i legami chimici:

• Legami covalenti: 50-100 kcal/mol
• Legami ionici: 5-10 kcal/mol
• Legami di idrogeno: 3-7 kcal/mol
• Legami van der Waals: 1 kcal/mol
• Interazioni idrofobiche: 1-2 kcal/mol

Ogni legame mostra una particolare distanza tra gli atomi, a cui corrisponde una quantità di energia, sotto forma di calorie, precisa che serve per creare il legame e che è uguale all'energia emessa quando esso si rompe (inversamente proporzionali).

Gli atomi di idrogeno tendono spontaneamente a legarsi tra di loro a formare molecole biatomiche, mettendo in condivisione un elettrone per avvicinarsi alla configurazione dell'elio e diventare stabili (legame covalente omopolare). Il legame covalente si instaura, generalmente, tra elementi con una differenza di elettronegatività più bassa rispetto al legame ionico (minore di 1,9). Possono essere polari o apolari (omopolari) in base alla differenza di elettronegatività (l'elemento più elettronegativo). La nube elettronica si sposta verso di esso.

Legame ionico e idrogeno

Il legame ionico lega elementi con una differenza di elettronegatività molto alta in cui uno cede e l'altro accetta elettroni. Il legame di idrogeno è un legame molto debole e si forma tra molecole (non tra elementi) in cui è presente l'idrogeno legato a fluoro, ossigeno o azoto (tra due molecole di acqua, tra una di ammoniaca e una di acqua ecc.).

Le interazioni idrofobiche sono legami tra molecole apolari e molecole polari. I legami deboli sono importanti in biologia, proprio per la facilità con la quale si rompono che regola la risposta agli stimoli, come per esempio il dolore. Ogni molecola ha una sua forma, a cui è associata una specifica funzione: l'acqua ha la forma di un tetraedro con un angolo di 104,5 gradi, come nel metano, per via dell'ibridazione che distorce la forma.

Reazioni chimiche

Tutte le funzioni biologiche si basano su reazioni di tipo biochimico, che si fermano quando l'organismo muore. Le reazioni possono essere reversibili.

L'acqua

La molecola che si trova alla base della vita di tutti gli organismi. Tutti gli ambienti e gli organismi contengono acqua in grandi quantità perché mitiga le escursioni termiche, abbassa la temperatura ecc. L'acqua ha 3 diversi stati: liquido, solido e gassoso. Lo stato liquido è quello più usato nelle funzioni biologiche.

Stati dell'acqua

Nello stato liquido, le molecole sono mantenute da legami di idrogeno molto più vicini rispetto a quello gassoso, in cui le molecole sono più libere di muoversi. Nello stato solido, la temperatura più bassa fa sì che le molecole rimangono fisse nello spazio nonostante i legami di idrogeno siano più distanti. I legami di idrogeno si possono rompere se si fornisce calore al sistema, per questo si hanno passaggi di stato (da solido a liquido e poi gassoso). Al contrario, si riformano se si cede calore (da gas a liquido a solido).

L'acqua, sui pianeti, si presenta in fasi diverse a seconda delle temperature a cui sono esposte per via della loro posizione (Venere solo stato gassoso). La Terra si trova in una posizione congeniale affinché possano verificarsi i 3 stati. Il fenomeno del punto triplo, che avviene a basse pressioni e basse temperature, è tale per cui coesistono ghiaccio, acqua liquida e vapore acqueo.

Forze nell'acqua

Le forze presenti nell'acqua sono:

• Coesione: tra le molecole d'acqua ci sono delle forze di attrazione dette forze di coesione che mantengono, per esempio, la forma delle gocce (per separare due lamine di vetro, in cui al centro è presente uno strato d'acqua, ci vuole molta forza).
• Adesione: le forze di adesione sono quelle che si stabiliscono tra il liquido e la superficie di contatto (per questo le gocce rimangono attaccate alla superficie verticale di un oggetto).
• Tensione superficiale: l'acqua modera le escursioni termiche.

Calore e temperatura

Un passaggio di stato da liquido a solido comporta un aumento di energia cinetica all'interno del corpo (le particelle cominciano a muoversi molto più velocemente); la quantità totale dell'energia cinetica all'interno di un corpo è il calore. La temperatura, invece, misura l'intensità del calore stesso. L'unità di misura del calore è la caloria ed è l'energia necessaria per innalzare di 1 grado, la temperatura di 1 g di acqua a pressione atmosferica. Il calore specifico è la quantità di energia che si deve fornire per innalzare o diminuire, di un valore assegnato, la temperatura di una quantità nota di una sostanza. L'acqua necessita di una grande quantità di energia affinché si scaldi.

Moderazione delle escursioni termiche

Gli organismi, per moderare le escursioni termiche, sfruttano il fenomeno del raffreddamento per evaporazione (evapotraspirazione): l'aria viene fatta evaporare e passa da liquido a gassoso richiedendo energia dall'aria circostante sotto forma di calore, per questo l'acqua evapora e l'aria si raffredda (sudorazione).

Densità dell'acqua

La densità è definita come rapporto tra la massa e il volume; all'aumentare della temperatura, essa diminuisce perché le molecole della materia vanno ad occupare volumi maggiori, al diminuire della temperatura, essa aumenta perché le molecole tendono ad occupare volumi minori. L'acqua presenta un'anomalia perché la sua densità aumenta, come gli altri materiali, fino ai 4 gradi, ma abbassando ulteriormente la temperatura, inizia a diminuire. Questo spiega perché il ghiaccio galleggia sull'acqua, perché in esso i legami tendono ad allungarsi, ad occupare più volume e a far diminuire quindi la densità.

Composizione degli organismi

Siamo composti dal 70% di acqua (meduse 90%). Questa è un solvente (quasi universale).

Concetto di mole

Ogni elemento ha un suo peso atomico (somma di protoni e neutroni). Se dividiamo i pesi atomici di ogni singolo (elemento o composto) otteniamo il numero di Avogadro: 1 mole = 6,02 * 10²³.

Molarità

La molarità esprime il numero di moli dell'elemento o del composto in un litro di H₂O. Esempio: 16g di O₂ in 1l = 1 mol / → di H₂O la soluzione = 1 molare. Il soluto va in soluzione nel solvente (Na⁺ e Cl^- in soluzione acquosa). Composti idrofili o idrofobi (cere, olio).

Esempio di composti idrofili

Il cotone, che è composto da fibre di cellulosa idrofile, è utilizzato per pulire/medicare le ferite. L'acqua si dissocia in H⁺ e OH^-.

pH e acidi

Il pH dell'H₂O è circa 7 (ovvero neutra). Il pH è definito come -log₁₀ [H⁺].

• Citoplasma pH = 7
• Vacuolo pH = 5,5
• Lisosoma pH ≤ 5 (dato il pH acido ha capacità degradativa)

Un esempio di acidità con effetti negativi è il mare che con la diminuzione del pH presenta un'acqua più acida che ha comportato lo sbiancamento dei coralli.

Piogge acide

Le piogge acide emettono anidride solforosa (SO₂) e solforica (SO₃). Queste sono dovute all'aumento di queste due sostanze date dalle attività umane (soprattutto nei luoghi a maggiore inquinamento atmosferico). Distruggono le foreste uccidendo microrganismi, microfauna e microflora e assorbendo sostanze tossiche.

Macromolecole

Sono formate da monomeri che legandosi formano polimeri: carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici. L'elemento principale delle macromolecole è il carbonio (C).

Reazione di disidratazione

Questa reazione (può essere accelerata da catalizzatori) vede una fuoriuscita di una molecola d'acqua, la stabilizzazione di un monomero non legato in un polimero che diventa quindi più grande, può essere definita come una reazione anabolica, ovviamente c'è bisogno di energia.

Reazione di idrolisi

L'acqua fa sì che un polimero si divida nei suoi monomeri più semplici. Come nel nostro corpo, le macromolecole per essere assorbite devono essere divise in monomeri, questo avviene attraverso reazioni di idrolisi. Questa è una reazione catabolica.

Composizione degli organismi in macromolecole

Ogni organismo è formato dal:

• 12% di lipidi
• 18% di polisaccaridi o carboidrati
• 55% di proteine
• 25% di acidi nucleici

Lipidi

Sono dei grassi, idrorepellenti e hanno un gruppo carbossilico. Sono un numero eterogeneo (possono o meno avere doppi legami e presentarsi quindi in due forme). Si chiamano acidi perché presentano un gruppo carbossilico che è molto reattivo.

Questi acidi grassi sono depositi di energia, si trovano a temperatura ambiente in forma solida: il burro per esempio. Gli oli sono invece ricchi di acidi grassi insaturi che deforma la coda idrocarburica e ne determina una maggiore fluidità che li fa trovare in forma liquida. In alcuni casi acquisiscono forme diverse per diverse funzioni.

L'acido linolenico può essere trasformato in acido giasmonico che è classificato come un ormone. La principale funzione del JA (Jasmonic Acid) è la regolazione delle risposte delle piante a stress abiotici e biotici.

Trigliceridi

Sono composti formati da un alcool (glicerolo) che reagiscono con 3 molecole di acidi grassi espellendo con questa reazione 3 molecole d'acqua. Le code possono essere sature, insature, polinsature. Rimane sempre un'idrofobicità all'acqua. Possono essere ricavati dai vari oli come olio di palma.

I trigliceridi sono la base dei fosfolipidi.

Fosfolipidi

Qui una delle code del trigliceride è sostituita da un gruppo fosfato avente carica negativa. Sono di fondamentale importanza perché costituiscono tutte le membrane cellulari. Presentano delle code idrofobiche formate da acidi grassi e da testa idrofile.

Steroli

Gli steroli sono derivati della molecola base sterolo. Si distinguono in zoo-steroli (colesterolo, ormoni sessuali, vitamine) e fitosteroli (campesterolo, sistosterolo).

Cuticola

Negli organismi vegetali, gli acidi grassi formano la cuticola che riduce l'evapotraspirazione nella pianta. Questo evita quindi la disidratazione dell'organismo. Costituita da un insieme di acidi grassi (a media 18-20 C o a lunga catena 20-28 C), con gruppi alcolici legati formando legami esteri. La struttura chimica molecolare non è molto definita.

Le cere delle piante formano la cutina. Anche altre molecole lipidiche sono importanti per gli organismi vegetali, ad esempio l'isoprene, che compone il β-carotene, che hanno anche funzione di richiamo per gli animali per poi diffondere il seme, invogliando quindi una risposta biologica.

Carboidrati

Sono polisaccaridi composti da monomeri chiamati monosaccaridi, con forma base CH₂O presi n volte.

Monosaccaridi

Gli zuccheri sono composti da molecole con un minimo di 3 atomi di C (gliceraldeide, considerato lo zucchero più semplice) legati da legami covalenti. Si dividono in aldosi e chetosi in base alla presenza di uno dei due gruppi nella molecola.