Appunti di Biologia vegetale (3CFU)

BIOLOGIA VEGETALE 2024/2025

Le piante utili all’ uomo

• come alimenti (agricoltura)

• Regolatrici composizione atmosfera (fotosintesi)

• Contro l’erosione dei terreni e delle coste

• Per fabbisogni energetici

• Come risorse rinnovabili (legno fibre tessili)

• Per guarire (piante medicinali)

Botanica: studio delle piante (dal greco botane che significa erba, pianta)

Botanica generale: caratteri comuni delle piante

Botanica sistematica: classificazione del regno vegetale, caratteristiche dei singoli gruppi

Biologia vegetali: anatomia e fisiologia della pianta

La pianta: un laboratorio chimico straordinario

In una pianta sono presenti migliaia di composti con ruolo definito

Metaboliti primari: costituenti generali nel processo foto sintetico utili per i processi vitali della

pianta (carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici, acidi carbossilici, aminoacidi). Fungono da

precursori per i metaboliti secondari.

Metaboliti secondari: costituenti chimici della pianta, con una distribuzione più limitata rispetto ai

primari, sintetizzati da cellule specializzate con rese molto basse (composti fenolici, terpenoidi,

alcaloidi)

• Possono essere specifici di una specie di un genere o di una famiglia botanica.sono coinvolti nel

processo di evoluzione

• Possono essere utilizzati come marker per la classificazione sistematica

Piante medicinali: terminologia

Pianta medicinali: è ogni vegetale che contiene, in uno o più dei suoi organi, sostanze che possono

essere usate a fini terapeutici o che sono i precursori per emisintesi farmaceutiche

Pianta officinale: ogni pianta impiegata nelle officine farmaceutiche (laboratorio o industrie) per la

produzione delle specialità medicinali, sono elencate nella F. U delle varie nazioni. Nella F. U

italiana le piante officinali sono 66 . La circolare M. S n1 dell 9-01-1981 consente al solo farmacista

ed in farmacia le vendite e la preparazione in dose forma medicamentosa di prodotti semplici o

composti a base di piante medicinali a comprovata attività

Droga: pianta medicinale e o officinale o parte della pianta (bulbi, radice, foglie, eccetera.) O un

suo estratto, più ricchi in principio attivo e utilizzati a scopi farmaceutici (in inglese drug) l’inglese

drug significa farmaco droga Spezia.

Nuova terminologia: materia prima vegetale di interesse farmaceutico

Tempo balsamico: momento in cui una qualsiasi pianta raggiunge il massimo contenuto in principi

attivi.

Es.: Digitalis lanata ha T.B. al 2° anno di vita. Può essere indicato con i numeri romani che si

riferiscono al mese; es. T.B. II: il tempo balsamico della pianta è in febbraio.

In un una pianta sono presenti migliaia di composti, con ruolo definito

• Metaboliti primari: costituenti generati nel processo fotosintetico, utili per i processi vitali della 1

pianta (carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici, acidi carbossilici, amminoacidi). Fungono da

precursori per i metaboliti secondari.

• Metaboliti secondari: costituenti chimici della pianta, con una distribuzione più limitata rispetto

ai primari, sintetizzati da cellule specializzate con rese molto basse (composti fenolici, terpenoidi,

alcaloidi). Possono essere specifici di una specie, di un genere o di una famiglia botanica. Sono

coinvolti nel processo di evoluzione. Possono essere utilizzati come marker per la classificazione

sistematica.

Relazione pianta uomo:

• Principio attivo: sostanza presente nella pianta, attiva dal punto di vista farmaceutico o biologico.

• Fitocomplesso : insieme di più principi attivi della pianta; può essere più efficace del singolo

principio attivo per fenomeni di sinergismo.

L’importanza della classificazione

Classificare: fare ordine raggruppando elementi in categorie omogenee.

Tassonomia o Scienza della classificazione: stabilisce i criteri per raggruppare in un ordine logico

le diversità del mondo naturale.

La Sistematica è una scienza in continua evoluzione. Inizialmente i vegetali venivano classificati in

base all’uso (medicinale, alimentare, tintorio, ecc.), in seguito a caratteri morfologici,

infine a caratteri filogenetici legati all’origine e all’evoluzione di una specie.

Oggi prevale il criterio morfologico-filogenetico. Le piante medicinali possono essere catalogate,

in base alla necessità, secondo criteri morfologici (struttura della pianta o della droga), chimici

(contenuto di principi attivi), farmacologici (attività)

ed evolutivi.

• Genere salvia: circa 1000 specie

• Famiglia: lamiaceae o labiate: 236 generi e piu di

6000 specie

L’unità tassonomica elementare delle piante è la

specie, indicata da un binomio secondo la

nomenclatura binomia di Linneo:

Organismi fotosintetici e acqua

Tallophyta

• Organismi il cu corpo è denominato tallo

• Nel tallo l’acqua può passare in qualsiasi punto della super\cie (equilibrio statico). Tipico di piante

acquatiche.

Cormophyta 2

• Organismi il cui corpo è denominato cormo.

• Nel cormo l’acqua entra e fuoriesce da zone diverse del corpo (equilibrio dinamico), specializzate

all’assorbimento e alla traspirazione. Tipico di piante terrestri.

Tallophyta:

- Batteri

- Alghe azzurre (cianobatteri)

- Alghe

- Funghi

Cormophyta:

- Briophyta—> piante terrestri non vascolari: sono le piante terresti più semplici, comprendono i

muschi

- Pteridophyta—> piante terrestri vascolari: presentano tessuti vascolari per il trasporto di acqua e

Sali minerali (hanno trachee e tracheidi)

Cromofite di interesse farmaceutico:

Spermatophyta

Spermatofite (o Fanerogame): Piante vascolari che producono il seme. Il seme è costituito

dall’embrione (in condizioni di vita latente, può sopravvivere a lungo), sostanze di riserva

(necessarie allo sviluppo della plantula) e tegumenti (protezione). Il seme deriva dall’ovulo

(sporotecio femminile) in seguito alla fecondazione.

Angiospermae:classificazione 3

La classificazione delle Angiospermae ha subito

revisioni in seguito a nuovi studi, soprattutto

biomolecolari.

Monocotiledoni e dicotiledoni

Cotiledone: foglia embrionale carnosa, presente nei

semi delle Angiosperme

Organismi autotrofi: capaci di sintetizzare le molecole

organiche necessarie partendo da sostanze

inorganiche.

Organismi eterotrofi: incapaci di sintetizzare le

molecole organiche necessarie partendo da sostanze

inorganiche, quindi le trovano in altri organismi.

Saprofiti: prendono le sostanze da organismi in decomposizione, non viventi; Es. batteri che

determinano la putrefazione, lieviti, muffe, funghi responsabili della decomposizione

Parassiti: prendono sostanze da organismi viventi Nel regno animale abbiamo organismi eterotrofi

nel regno vegetale abbiamo sia eterotrofi che autotrofi

Cos’è una pianta?

Una pianta è un organismo molto diverso da un organismo animale.

• Non dipende dagli animali, è un organismo autotrofo (si nutre di sostanze inorganiche e usa come

fonte di energia la luce solare).

• È ancorato al terreno, la sua crescita è indefinita, presenta massima superficie e minimo volume,

si integra fortemente con l’ambiente, reagisce agli stimoli ambientali.

• Le sue cellule sono più complesse di quelle animali, i tessuti sono più semplici, gli organi sono

pochi (foglia, fusto, radice) ma più plastici, produce metaboliti primari e metaboliti secondari.

• La sua cellula è totipotente, ossia capace di generare un intero individuo.

Teoria cellulare

• Tutti i viventi sono formati da una o più cellule

• Le cellule sono le unità fondamentali di ogni organismo

• Tutte le cellule derivano da altre cellule.

La struttura attuale delle cellule deriva dall’evoluzione di organismi viventi fin dai primordi della

vita sulla Terra e dall’intersecazione delle linee evolutive. La ricostruzione dell’albero evolutivo è

sempre in continuo cambiamento in relazione allo sviluppo di nuove conoscenze.

Ipotesi endosimbiontica

Nel precambriano (~4.6 miliardi di anni fa) un batterio aerobio è stato inglobato da un batterio

anaerobio, con mutuo vantaggio. Nel tempo il materiale genetico del batterio ospite è stato

inglobato nel nucleo del batterio ospitante, dando origine alla cellula eucariotica.

La cellula vegetale

È l’unità biologica che sintetizza e/o accumula i principi attivi. Produce metaboliti di due tipi:

primari (indispensabili alla vita cellulare);

• secondari (non indispensabili, ma funzionali all’ecologia/relazioni).

• 4

Tipica degli eucarioti è la compartimentazione: i processi metabolici avvengono in organelli

delimitati da membrane semplici o doppie; nei procarioti, invece, le reazioni avvengono nel

citoplasma o sulle membrane. La compartimentazione aumenta la superficie interna utile agli

scambi e rende i processi più efficienti.

Cellula vegetale vs cellula animale

Le cellule vegetali variano per forma e sono in media più grandi (≈30–50 μm; esistono cellule

giganti come le fibre di canapa) rispetto a quelle animali (≈10–20 μm). La cellula vegetale possiede

parete cellulare, plastidi e vacuolo e mostra differenze anche in apparato di Golgi e reticolo

endoplasmatico. In genere contiene un nucleo, circa ~20 plastidi, numerosi corpi del Golgi, circa

700 mitocondri, vacuolo, cloroplasti, parete e circa 500.000 ribosomi.

A livello d’organismo, le piante sono prive di mobilità attiva, possono essere auto/eterotrofe, hanno

grande superficie esterna, sviluppo embrionale indefinito (cellule totipotenti) e mancano di SNC; gli

animali hanno movimento attivo, sono eterotrofi, presentano grande superficie interna, sviluppo

embrionale che si conclude presto e un sistema nervoso centrale. 5

PLASTIDI

I plastidi sono organelli esclusivi delle cellule vegetali, localizzati nel citoplasma (spesso paralleli

alla parete), di forma per lo più ovoidale. Ogni cellula ne possiede tipicamente 10–100 (fino a

~500.000 per mm² di foglia). Sono coinvolti in fotosintesi e accumulo e sono semi-autonomi:

possiedono DNA circolare, enzimi e ribosomi 70S; si moltiplicano per scissione. Sono delimitati da

doppia membrana e derivano da proplastidi presenti nelle cellule meristematiche; quando il tessuto

si differenzia, i proplastidi si trasformano nei diversi plastidi maturi.

Proplastidi e differenziamenti

Il destino dei proplastidi dipende da organo e luce. Nelle radici (organo sotterraneo non

fotosintetico) si formano amiloplasti per la riserva d’amido; nelle parti verdi e in presenza di luce

diventano cloroplasti. Al buio la sintesi di clorofilla si blocca a protoclorofilla: lo sviluppo resta

incompleto e compaiono ezioplasti (tessuti eziolati: giallognoli, fusto allungato e fragile). Gli

ezioplasti possono trasformarsi in cloroplasti alla luce, ma non sono la forma fisiologicamente

giovanile (che resta il proplastidio).

Le interconversioni sono possibili tra leucoplasti e cloroplasti; i cromoplasti, invece, non ritornano

ad altre forme. L’epidermide in genere non forma cloroplasti neppure alla luce; anche se illuminata,

la radice sviluppa soprattutto leucoplasti.

CLOROPLASTI: dove si trovano e come sono fatti

Sono gli organelli della fotosintesi e si trovano nei parenchimi clorofilliani delle foglie e alla

periferia dei fusti giovani. Sono verdi per la clorofilla; nelle piante superiori hanno forma di lente

biconvessa (forme variabili in piante inferiori e alghe) e sono in numero di ~20–80 per cellula.

La struttura comprende una doppia membrana (esterna più permeabile; interna con permeasi; tra le

due lo spazio intermembrana), lo stroma e il sistema dei tilacoidi. Nello stroma si trovano DNA

(fibrille), ribosomi 70S, granuli di amido, plastoglobuli e molti enzimi, tra cui quelli per ciclo C3

(Calvin), sintesi/degradazione amido, sintesi acidi grassi, sintesi e conversione di amminoacidi,

sintesi di purine/pirimidine/pentosi e riduzione/assimilazione dell’azoto e del carbonio (es. nitrito

reduttasi, glutammina sintetasi, glutammico deidrogenasi NADP-dipendente). Qui è presente anche

la Rubisco, la proteina più abbondante del cloroplasto (e della biosfera).

I tilacoidi sono cisterne membranose appiattite, organizzate in grana (pile di tilacoidi piccoli)

connessi da tilacoidi stromatici più lunghi: il lume tilacoidale è continuo. Nei grana si trovano i

fotosistemi I e II, mentre nei tilacoidi stromatici prevale il fotosistema I. In queste membrane

avvengono le reazioni luminose (trasporto elettronico e fosforilazione). In media ci sono ~30–70

grana per cloroplasto, ciascuno con ~10–100 tilacoidi.

Amido primario (di assimilazione)

Durante la fotosintesi gli zuccheri prodotti possono eccedere la velocità di traslocazione e vengono

temporaneamente convertiti in amido primario all’interno del cloroplasto (granuli piccoli, vita

breve). Di notte questo amido è idrolizzato e gli zuccheri riforniscono i tessuti di riserva.

Composizione del cloroplasto

Circa 40–60% proteine, 20–30% lipidi (steroli, fosfo- e glicolipidi), 5–10% clorofille (a ~75%, b

~25%), carotenoidi (xantofille ~75%, caroteni ~25%), 2–7% acidi nucleici (RNA e DNA), sali

minerali (K, Mg, Ca, Na, Mn) e amido. 6

Clorofille

Sono pigmenti fotosintetici; la clorofilla a e la clorofilla b differiscono per un sostituente laterale (–

CH₃ nella a, –CHO nella b). Ogni molecola ha un anello porfirinico con Mg centrale (che assorbe

luce visibile) e una coda di fitolo idrofoba che ancora il pigmento alle membrane tilacoidali.

LEUCOPLASTI E AMILOPLASTI

I leucoplasti sono plastidi incolori con funzione di riserva nei tessuti non illuminati (radici, rizomi,

tuberi) e nei semi; condensano i prodotti della fotosintesi. In base alla riserva distinguiamo:

amiloplasti (amido secondario),

• lipidoplasti/elaioplasti (lipidi),

• proteoplasti (proteine, anche in cristalli aghiformi).

•

Gli amiloplasti hanno organizzazione interna più semplice dei cloroplasti (stroma con pochissimi

tilacoidi) e accumulano amido secondario derivato sia dalla traslocazione del glucosio sia dalla

demolizione dell’amido primario prodotto nei cloroplasti. Al microscopio a luce polarizzata i

granuli di amido appaiono birifrangenti con una caratteristica croce nera centrata sull’ilo (punto di

nucleazione), utile anche a fini farmacognostici. Le dimensioni variano da 1 a 150 μm e le forme

sono diverse (sferiche, ovali, poliedriche). I granuli possono essere semplici (un solo ilo) o

composti (fusione di più granuli).

L’amido è un polisaccaride di α-glucosio: i granuli sono insolubili in acqua fredda e in acqua

calda (50–70 °C) rigonfiano formando la salda d’amido. È composto da amilosio (polimero lineare

con legami α(1→4), elicoidale) e amilopectina (ramificata con α(1→4) e α(1→6)), con

amilopectina prevalente (~70–80%). Nella pianta, l’amido di radici/fusto sostiene l’attività

vegetativa (es. nuova chioma), quello del seme alimenta germinazione e sviluppo della plantula.

CROMOPLASTI: funzione, struttura e origine

I cromoplasti sono plastidi non fotosintetici ricchi di carotenoidi (caroteni e xantofille) che

conferiscono colorazioni gialle, arancioni e rosse a petali, frutti e talvolta radici (es. carota). La

colorazione ha un ruolo ecologico: favorisce l’impollinazione e la disseminazione attirando animali,

e può concorrere alla difesa (funzioni vessillari).

Dal punto di vista strutturale sono avvolti da doppia membrana e accumulano pigmenti in globuli

lipidici; hanno lipidi ~58%, proteine ~22% e RNA ~3,3%, con attività metabolica più bassa dei

cloroplasti (i cromoplasti rappresentano spesso uno stadio senescente dei plastidi). L’origine può

essere da cloroplasti (degradazione della clorofilla, sintesi di carotenoidi, perdita delle lamelle e

comparsa di globuli lipidici) oppure da leucoplasti (es. carota). La trasformazione verso cromoplasti

è irreversibile.

Tra i pigmenti, le xantofille danno i toni gialli e i caroteni gli arancioni; i carotenoidi sono

importanti anche in ambito farmaceutico (precursori della vitamina A e con attività antiossidanti). 7

IL VACUOLO

I vacuoli sono vescicole tondeggianti presenti all’interno della cellula, ripiene di una soluzione

acquosa chiamata succo vacuolare. Sono delimitati da una membrana singola, il tonoplasto, di

natura lipoproteica e simile al plasmalemma. Questa membrana è più resistente del plasmalemma

alle soluzioni di urea, il che permette di isolare i vacuoli dal citoplasma. Nelle cellule giovani, i

vacuoli sono numerosi e piccoli, ma con l’accrescimento della cellula tendono a fondersi, formando

spesso un vacuolo centrale che può occupare fino al 90% dello spazio citoplasmatico.

L’origine dei vacuoli sembra derivare dai provacuoli, piccole vescicole appartenenti al complesso

GERL (Golgi, Reticolo endoplasmatico e Lisosomi). I provacuoli avvolgono porzioni di citoplasma

come sbarre di una gabbia; i tubuli si fondono isolando completamente il citoplasma inglobato. La

membrana interna della gabbia e il citoplasma inglobato vengono successivamente degradati da

enzimi lisosomiali. I piccoli vacuoli così formati possono poi fondersi, generando vacuoli più

grandi.

Funzioni del vacuolo

I vacuoli svolgono numerose funzioni essenziali per la cellula vegetale. Tra queste, la funzione di

riserva permette l’accumulo di zuccheri, acidi organici, proteine, sali minerali e metaboliti

secondari prodotti in eccesso nel citoplasma. Queste sostanze possono essere modificate da enzimi

interni e successivamente riutilizzate dentro o fuori dalla cellula.

Un’altra funzione importante è quella di escrezione dei materiali di rifiuto: la pianta, priva di

apparati escretori, deposita i prodotti di scarto nei vacuoli, rendendoli inoffensivi. Il vacuolo agisce

anche come “tappabuchi”: durante la crescita cellulare, il vacuolo riempie gli spazi vuo