Appunti di Biologia vegetale

Chapter 1: Introduzione

La biologia: lo studio della vita

La biologia è lo studio della vita. Ogni organismo si è evoluto adattandosi alla sua collocazione in un dato ecosistema. Tutti gli organismi viventi devono avere le seguenti caratteristiche:

• Trasformazione di energia
• Organizzazione dei vari livelli biologici
• Adattamento evolutivo
• Crescita e sviluppo dell’organismo
• Regolazione in risposta all’ambiente
• Autoregolazione dei processi metabolici interni
• Riproduzione

Chapter 2: Chimica della vita

La chimica e gli esseri viventi

Tutta la materia è soggetta alle leggi della chimica e della fisica. Gli esseri viventi sono costituiti al 96% da C, H, O, N, il resto sono ioni Ca, P, K, S, Na, Mg, Cl e tracce di altro. Questi servono a formare le strutture e altri elementi utili tra cui macro e micronutrienti.

Acqua e idoneità dell’ambiente alla vita

L’acqua costituisce la maggior parte degli organismi viventi e del pianeta in sé. La sua struttura, H — O — H, le conferisce una leggera polarità: presenta una parziale carica positiva dal lato degli H e negativa dal lato dell’O. Gli H sono legati all’O con un legame molto forte detto covalente. La particolare polarità della molecola le permette di instaurare fra le altre molecole il legame idrogeno, tipico degli elementi molto elettronegativi come l’ossigeno e l’idrogeno. Ciò le conferisce delle speciali proprietà.

• Coesione: le molecole d’acqua restano unite, determinando la tensione superficiale del liquido, per cui essa può accogliere una certa pressione senza che i legami si rompano. Questo permette la traspirazione della pianta perché man mano che il calore del sole fa evaporare la molecola d’acqua essa si trascina dietro quelle cui è legata.
• Capacità di moderare le escursioni termiche: il legame a idrogeno rende più difficile i cambi di stato dell’acqua consentendo all’organismo di rimanere stabile a diverse temperature.
• Azione di ottimo solvente: riesce a spezzare i legami ionici delle molecole sciogliendole al suo interno. Le molecole idrofile sono capaci di sciogliersi in acqua perché possiedono un’affinità con essa, le molecole idrofobe sono apolari perciò non vi interagiscono, infine ci sono le molecole anfipatiche o anfifiliche, che possiedono entrambe le qualità pertanto riescono a formare delle micelle e sono i costituenti delle membrane. In soluzione l’acqua può fungere da acido o da base donando un protone o un gruppo ossidrile, modificando il pH della soluzione.

Struttura e funzione macromolecole

Eccetto i lipidi esse sono formate da singole unità (monomeri) legate a formare polimeri (reazione di condensazione: H finale di una catena incontra OH iniziale di un’altra e si uniscono espellendo un H₂O, l’inversa è la reazione di idrolisi.)

Proteine

I loro monomeri sono gli amminoacidi: un C circondato da un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un H e un gruppo funzionale che è diverso per ogni amminoacido e ne determina le proprietà. Ne esistono 20 in totale: 9 apolari, 6 polari, 2 polari basici + 3 polari acidi. Gli amminoacidi si legano con un legame peptidico, un tipo di legame covalente in cui il gruppo carbossilico perde OH e il gruppo amminico perde un H, legando i due amminoacidi ed espellendo un’acqua. Hanno funzioni:

• Enzimatiche
• Strutturali
• Recettoriali
• Di riserva
• Di difesa

Acidi nucleici

I monomeri si chiamano nucleotidi e sono costituiti da uno zucchero (ribosio o desossiribosio, se si tratta di RNA o DNA, la differenza è un O in meno nel secondo), una base azotata (pirimidine: citosina e timina/uracile in RNA; o purine: adenina e guanina) e un gruppo fosfato. Le basi azotate sono fra loro complementari (C/G T/A), legate a idrogeno mentre il gruppo fosfato si lega al 5C della base azotata. Si forma così una struttura a pioli, a doppia elica.

• Fase di replicazione: il DNA si apre in due segmenti rompendo i legami idrogeno fra le basi.
• Fase di trascrizione: il gene (codificato da una sequenza di nucleotidi, codifica per specifiche proteine) viene individuato e ne viene replicato il segmento complementare (mRNA).
• Fase di maturazione: mRNA si lega ad una coda di adenine, matura ed esce dal nucleo.
• Fase di traduzione: nei ribosomi la sequenza di basi viene suddivisa in codoni (gruppi di tre basi). Ogni codone ha un anticodone ad esso complementare, composto dalle basi del tRNA. In questa fase la tripletta dell’anticodone e quella del codone si accoppiano, formando gli amminoacidi, che messi in sequenza durante questo processo si ripiegano su loro stessi a formare proteine.

Carboidrati

Monosaccaridi (es. glucosio e fruttosio): un monomero solo (H₂O) n₃₊. Possono legarsi ad un gruppo amminico, ossidrilico, carbossilico o aldeidico e avere forma ramificata (a catena) o ciclica (ad anello).

Disaccaridi (es. saccarosio): si formano per condensazione di due monosaccaridi → formazione di un legame glicosidico.

Polisaccaridi (es. amidi, cellulose). Funzioni:

• Amilosio se è ciclico, amilopectina se è ramificata; deposito di glucosio per permettere la respirazione cellulare (analogamente al glicogeno negli animali). Le piante idrolizzano il glucosio tramite delle proteine chiamate amilasi, accedendo così ai glucosidi singoli.
• Strutturale, creando delle microfibre di cellulosa a partire da catene di beta-glucosio legate la legami idrogeno, le quali sono molto resistenti: compongono la parete cellulare e gli animali non possiedono enzimi per spezzarle.

Lipidi

Sono formati da C, O, H e sono idrofobici quindi insolubili in acqua. Possono essere:

• Di riserva: i cosiddetti trigliceridi, molecole composte dalla condensazione di glicerolo (alcol a 3C) e 3 acidi grassi a formare delle catene idrocarburiche. Le catene possono avere le catene idrocarburiche sature (con doppi legami) o insature (senza, ciò le porta a disporsi più disordinatamente e lasciare spazi vuoti respingendosi fra loro) e questo definisce il grado di impaccamento del grasso (differenza burro e olio).
• Strutturali: per la maggior parte rappresentati dai fosfolipidi, il glicerolo è legato a due acidi grassi (code idrofobiche) e un gruppo fosfato polare (testa idrofila), rendendoli molecole anfipatiche. NB: esistono i glicolipidi che al posto del gruppo fosfato hanno uno zucchero. Si dispongono in doppi strati con le code all’interno e le teste all’esterno senza bisogno di legami, a formare le membrane. Come rinforzo per queste membrane vengono impiegati steroidi che irrigidiscono le code (es. colesterolo).

Capitolo 3: Citologia

Introduzione alla citologia

La citologia è la parte della biologia che studia la cellula, la sua organizzazione e le sue funzioni. La cellula rappresenta l’insieme unificante di tutti gli esseri viventi in quanto è il più semplice insieme di elementi in grado di assolvere a tutte le funzioni necessarie alla vita.

La teoria cellulare

La constatazione di un unico modello cellulare ha portato a descrivere una teoria cellulare dei viventi, comune a tutti, le cui differenze sono dettate dal differente grado di evoluzione.

• Tutti i viventi sono formati da una o più cellule
• Le cellule costituiscono le unità fondamentali di ogni organismo
• Tutte le cellule derivano da altre cellule

La teoria endosimbiontica

Lo studio comparato di batteri e mitocondri lascia supporre che essi siano evolutivamente imparentati, che dei batteri siano entrati in simbiosi con cellule eucariote, producendo ATP per i loro simbionti e ricevendo protezione e sostanze nutritive in cambio. Gradualmente hanno perso autonomia tanto da venire integrati nel codice genetico della cellula e assumendo la funzione di mitocondri. Analogamente i batteri fotosintetici potrebbero essere stati coinvolti nel processo evolutivo delle cellule vegetali.

Differenze fra procarioti ed eucarioti

Membrane cellulari

Ogni cellula è racchiusa da una membrana citoplasmatica che separa il citoplasma dall’ambiente esterno ed è sede di efficaci scambi di ioni, molecole e gas grazie alla sua struttura contenente enzimi, recettori, trasportatori, canali ionici e antigeni che svolgono svariate funzioni per garantire il benessere cellulare. Essa non è l’unica membrana della cellula, ci sono delle membrane intracellulari che racchiudono gli organelli delle cellule eucariotiche assolvendo agli stessi compiti. Le principali funzioni sono:

• Separazione degli ambienti
• Regolazione degli scambi
• Comunicazione
• Stabilizzazione

Le membrane sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi nel quale sono inserite proteine, molecole di colesterolo e una piccola percentuale di glucidi. I fosfolipidi sono molecole formate da una testa idrofila e due code di acidi grassi idrofobici che ne influenzano l’impaccamento a seconda del loro grado di saturazione, assieme alle molecole di colesterolo che legano debolmente ai fosfolipidi adiacenti riducendone la fluidità ma anche la rigidità a basse temperature. Questa particolare struttura è detta “a mosaico fluido”.

Tipi di trasporto

Il trasporto di macromolecole può avvenire per eso/endocitosi: esse vengono inglobate da una porzione di membrana che funge da vescicola di trasporto e si unisce alla membrana della sede di arrivo rilasciando il proprio contenuto.

Le cellule vegetali

Assorbono ed emettono acqua e soluti tramite una pompa transmembrana protone/potassio. Respirazione e fotorespirazione converte proteine in glicidi e lipidi in zuccheri, sintetizza metaboliti secondari.

Strutture comuni alle cellule animali e vegetali

• Citoplasma: materiale gelatinoso che riempie la cellula costituito da citosol e dagli organelli citoplasmatici. Vi hanno luogo sintesi proteiche e molte reazioni enzimatiche. È soggetto a correnti di movimento.
• Citoscheletro: complesso di filamenti proteici con ruolo di sostegno, crescita e differenziazione della cellula. Composto da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi.
• Nucleo: è l’organello più grosso (escluso il vacuolo).