Appunti di Botanica

Botanica

Prima parte

La botanica è la disciplina che studia forme di vita vegetale e al suo interno ci sono molte discipline diverse (morfologia, fisiologia, tassonomia, sistematica → studio rapporti evolutivi, ecologia vegetale → studio dei rapporti degli organismi vegetali, fitogeografia, patologia vegetale → studio patologie delle piante e biotecnologie vegetali → interessi ambientali).

Differenze fra piante e animali

1) Sistema di nutrizione → le piante sono fotoautotrofe (sono in grado di procurarsi da sole nutrimento).

Gli organismi possono essere classificati in base alle loro modalità nutrizionali in più modi:

Per fonti di carbonio:

• Autotrofi → non hanno necessità di fonti di carbonio già organicate, che organican[o] per se stessi e per gli altri;
• Eterotrofi → sono organismi che hanno bisogno di fonti di carbonio già organicate (le quali vengono fornite dalle piante).

Per fonti di energia:

• Fototrofi → sfruttano l’energia luminosa, producendo con la fotosintesi zuccheri e ossigeno;
• Chemiotrofi → utilizzano molecole organiche ed inorganiche per produrre energia. Questi si dividono a loro volta in Organotrofi (utilizzano molecole organiche) e Litotrofi (utilizzano una componente chimica inorganica come fonte di energia → NH3, H2, H2S).

2) Organizzazione cellulare → le cellule animali e vegetali presentano lievi differenze fra di loro; 3 sono le differenze essenziali che distinguono le due tipologie di cellule: nelle cellule vegetali, rispetto che in quelle animali, sono presenti il vacuolo (→ nelle cellule adulte occupa oltre il 90% del volume cellulare), i plastidi (→ esistono diversi tipi di plastidi che svolgono funzioni diverse, es. attrattivi, o che servono per la fotosintesi) e la parete cellulare (→ impedisce lo scoppio della cellula, contiene l’acqua assorbita).

3) Modalità di crescita → gli animali hanno un programma di sviluppo prestabilito, nascono, crescono e muoiono. Le piante invece hanno una crescita modulare, ossia continuano a crescere tutta la vita. Ogni porzione della pianta è indipendente. Questa cresce per tutto l’arco della sua vita → grazie a tessuti indifferenziati che ne determinano la crescita.

4) Movimento → gli animali si muovono, le piante no, sono sessili.

5) Interazione con l’ambiente → interagiscono e reagiscono agli stimoli ambientali, non con un sistema nervoso ma con dei complessi sistemi biochimici. Comunicano anche fra di loro e con dei microrganismi nel terreno attraverso segnali biochimici. Sono tutte fittamente collegate fra loro attraverso reti unicellulari (funghi) che mettono in comunicazione le radici delle piante adiacenti (segnali per prepararsi fisiologicamente da attacchi patogeni, ma anche traslocazione di fonti vitali della pianta). Le piante sono un’unità, come i licheni, sono tutti interconnessi fra loro attraverso reti di microrganismi.

Cenni storici

L’uomo ha sempre utilizzato organismi vegetali con vari scopi, come alimento, per costruire abitazioni, per ricavare fibre tessili e per scopo curativo: prima dell’avvento della chimica farmaceutica l’uomo si curava grazie alle piante. Gli antichi orti botanici servivano per coltivare piante a scopo medico. Anche se dobbiamo ad Aristotele la percezione che alla base delle differenze fra animali e piante fossero nelle modalità di nutrizione, il primo botanico fu Teofrasto → “Historia Plantarum”, in 10 libri di classificazione di piante sulla base del portamento ecc.

Con Dioscoride si ha invece la raccolta di tutto lo scibile di piante allora conosciute → “De materia medica” diviso in 5 libri. Il più grande lavoro si ha invece con Plinio il Vecchio, nelle “Naturalis Historia” → parla di tutte le discipline della storia naturale dal V.12 al V.19.

Nell’epoca rinascimentale la scoperta delle nuove terre ha scatenato un nuovo impulso nelle scienze, essendo aumentata la sete di scoperta e di conoscenza. Furono fondati i primi orti botanici dove venivano coltivate ma anche mostrate le specie → il primo orto botanico fu fondato da Luca Ghini a Pisa nel 1543 (il più antico orto botanico si trova a Padova, fondato nel 1545, tutt’oggi nella sua sede originale).

Luca Ghini fu anche l’ideatore degli erbari essiccati: prima gli erbari erano essiccati, e tutto era dato all’immaginazione dell’artista. Negli erbari sono conservate le specie tipo. Sono punti di riferimento.

Cesalpino, allievo di Ghini, propose il tema della classificazione e propose anche il primo volume di erbario essiccato (oggi diviso in più volumi). La modalità di classificazione basata sugli organi riproduttivi fu poi ripresa da Linneo, il quale creò un vero e proprio sistema di classificazione attraverso le denominazioni. Inventò il sistema binomiale e il sistema di classificazione gerarchico.

Individuare una specie prima era molto complesso (esempio Nepeta Cataria) → ora ci sono due parole, la prima indica il genere, e la seconda la specie. Possono avere lo stesso genere ma diverse specie, oppure possono essere generi diversi ma appartenere alla stessa specie.

Con i taxa (sing. taxon) si intende il raggruppamento tassonomico, dove ognuno possiede i propri suffissi → da specie a regno (sono 7); è un’organizzazione piramidale. (acee → famiglia; ales → ordine; phyta → phylum ecc.)

Specie

È il raggruppamento tassonomico più basso.

1. Aspetto morfologico → raggruppa organismi che hanno aspetti morfologici simili. (Eccezione → variabilità di specie)
2. Aspetto biologico (eccezioni → ibridi fecondi; organismi che si riproducono per clonazione)
3. Aspetto filogenetico
4. Aspetto ecologico

Esistono tre domini di vita → ci sono 5 supergruppi che rappresentano il dominio degli eucarioti e poi c’è il dominio dei batteri (bacteria e archaebacteria). Negli Archaeplastida si trovano le piante verdi in generale, mentre i funghi si trovano negli Opisthokonta, insieme ai mammiferi.

Le biomolecole

Dei 92 elementi che ci sono sulla Terra, solo 6 sono quelle più importanti:

• Carbonio
• Azoto
• Idrogeno
• Ossigeno
• Zolfo
• Fosforo

Gli organismi sono costituiti da composti Organici (Carboidrati, Lipidi, Proteine e Acidi Nucleici) ed Inorganici (Acqua e Sali minerali).

Composti inorganici

Acqua → è l’elemento più importante sulla Terra, molti organismi hanno bisogno di acqua per vivere. Alcuni organismi possono anche disidratarsi, ma senza acqua allo stato liquido non possono ritornare in vita.

Proprietà dell’acqua

È importante per il trasporto. La molecola di acqua è formata da un atomo di O e due di H → angolo di 108° nella molecola dove l’O si carica negativamente e i due H si caricano positivamente → si comporta come un dipolo. Due molecole di acqua si legano fra loro con i legami idrogeno. Ponti idrogeno → abbastanza forti, di tipo elettrostatico. Queste caratteristiche fanno sì che l’acqua sia allo stato liquido sulla Terra, nonostante abbia un peso molecolare bassissimo (18).

Lega con altre sostanze. Forze di adesione e di coesione → azione capillare. L’acqua ha un alto calore specifico → serve molta energia in calore per far aumentare la temperatura di un grado → qualunque cosa in ambiente acquoso si trova in un ambiente molto omeostatico, stabile, è difficile perturbare questo ordine. Gli enzimi per funzionare hanno bisogno di certe condizioni, e se non sono rispettate, il metabolismo entra in difficoltà.

Ottimo solvente → riesce a legare moltissime molecole polari. Importante anche per la solubilizzazione di alcune sostanze per essere trasformate, ad esempio il trasporto di sostanze zuccherine nella linfa.

Sali minerali

Sono presenti in piccole quantità.

• Magnesio → costituente delle clorofille;
• Potassio → è un coenzima importante. Nelle piante è importante per l’apertura e chiusura degli stomi → strutture la cui apertura è regolata dalla pianta stessa e regola la traspirazione. Le aperture e le chiusure sono regolate dalla concentrazione di ioni potassio.

Composti organici

Carboidrati

→ Funzione energetica e strutturale.

Hanno alla base CH2O (preso n volte). Si dividono in monosaccaridi, polisaccaridi e disaccaridi.

Monosaccaridi

Hanno dai 3 ai 7 atomi di carbonio e in base alla catena, possono suddividersi in triosi, esosi, pentosi, eptosi ecc.

Sono usati come fonte di energia e sono alla base della sintesi delle sostanze. Si suddividono in Aldosi (esoso → glucosio) e Chetosi (fruttosio) in base alla disposizione del gruppo carbonilico.

In acqua le molecole ciclizzano → gli aldosi formano molecole ad esamero mentre i chetosi formano molecole pentameriche.

Il glucosio può presentare due forme quando i gruppi OH si trovano disposti in due modi opposti. Possiamo avere un glucosio di tipo alfa e uno di tipo beta. Se questi glucosi si solubilizzano in acqua avremo disaccaridi con legami di tipo alfa o beta. Ci saranno proprietà diverse in base ai legami. Un glucano B è la cellulosa, è un polimero strutturale perché molto resistente (le piante la utilizzano per costruire la parete).

2 monosaccaridi di tipo alfa che condensano formano maltosio.

2 molecole di tipo beta che condensano formano cellobiosio (cellulosa).

Se la condensazione va avanti si formano oligosaccaridi o polisaccaridi: a seconda se sia alfa o beta possiamo avere:

• Amido (piante), Glicogeno (animali) → riserva. (a glucano)
• Cellulosa, Chitina (scheletro degli animali) → strutturali (betaglucano)

La cellulosa è costituita da un legame di alfa glucano con un B 1,4 mentre la Chitina è formata da N-acetil beta glucosammina + un legame B 1,4.

Riserva → alfa. Struttura → beta.

I polisaccaridi si possono dividere inoltre in omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi.

Omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi

Sono Glucani; prendono il nome dai 2 monosaccaridi che li compongono.

Amido

Si tratta di glucosio con un legame alfa. Si divide in:

• Amilosio (non presenta ramificazioni);
• Amilopectina (è ramificata → ramificazione 1,6).

Entrambi sono Glucani alfa 1,4. Compartimenti e funzioni diverse. L’Amilopectina è primaria, è sintetizzata nelle foglie, specificatamente nei cloroplasti. Durante la fotosintesi vengono prodotti zuccheri → questo aumenta la concentrazione di soluti nella cellula → è maggiore l’osmosi. Avviene così la polimerizzazione di questi zuccheri in amilopectine, che sono poi depolimerizzate in disaccaridi, i quali sono trasportati nei compartimenti della pianta: da qui sono poi utilizzate o sintetizzate in amilosio.

Amiloplasti → accumulano sostanze di riserva.

Emicellulosa

Si trova nelle pareti. Ne esistono di moltissimi tipi.

• Xiloglucano → la catena principale è formata da Glucosio mentre la ramificazione è formata da xilosio.
• Arabinoxilano → la catena principale è formata da xilosio mentre la ramificazione è formata da arabinosio.

Cellulosa

È diversa dall’amido per il legame di tipo beta 1,4. Si trova in quantità abbondanti in natura. Ha una funzione strutturale → infatti forma le pareti cellulari vegetali. Rigidità della molecola lineare.

Pectine

1) Ramnogalatturonano I: acido galatturonico e ramnosio → c’è un gruppo OH.

2) Ramnogalatturonano II.

3) Omnogalatturonano.

Le pectine sono igroscopiche, possono quindi legare ioni, molecole cariche. In acqua hanno proprietà gelificanti → la Pectina è un agente addensante (es. marmellate).

Lignine

→ Sono polimeri che presentano unità di molecole fenilpropaniche. C6C3.

Polimerizzano fra loro e formano le lignine → la loro struttura non è definita ma le loro proprietà sì.

Proprietà:

• Idrofobiche;
• Rigidità;
• Ruolo funzionale (nel trasporto).

Sono depositate sulle pareti delle cellule vegetali. Vengono prodotte anche sotto stress → es. l’attacco di un patogeno → questa lo mura vivo → l’alta rigidità e l’alta proprietà idrofobica.

Chitina

Si trova nei funghi (nei vegetali non è presente).

Proteine

→ Hanno un ruolo strutturale e funzionale → nel mondo animale sono molte e importanti mentre nel mondo vegetale tale funzione è svolta dai polisaccaridi.

Lipidi

→ Hanno una funzione di riserva e una funzione strutturale.

I più importanti sono i trigliceridi, presenti sia nella cellula animale che vegetale. Nei vegetali i lipidi sono molto più insaturi → a temperatura ambiente i grassi animali si trovano allo stato solido (es. burro), mentre i grassi vegetali si trovano allo stato liquido.

Steroidi → negli animali abbiamo il Colesterolo; nei vegetali è presente il Beta-sitosterolo (nelle membrane) mentre nei funghi troviamo l’Ergosterolo.

→ Ci sono poche differenze fra le cellule animali e vegetali, ma queste è importante saperle, per poterle distinguere.

Cutina

Formata da una lunga catena di acidi grassi, si trova sulla parte esterna delle cellule epidermiche, fungendo da protezione. Qui formano la cuticola. La produzione della cutina ha incrementato l’adattamento terrestre delle piante (es. muschi). Questa è inoltre più spessa nelle Xerofite. Viene poi addizionata alle cere, le quali impermeabilizzano la superficie esterna maggiormente.

Suberina

(O sughero) altamente idrofobica, è formata da una lunga catena di acidi grassi. Si lega a sostanze fenoliche ed ha un’elevata rigidità e tossicità. Viene depositata in lamelle concentriche a ridosso della parete primaria dall’interno verso l’esterno (ad esempio negli alberi) → funge da protezione. La cellula (il protoplasto) che sintetizza la suberina morirà non appena questa è ultimata, questo perché la suberina va a chiudere dentro il protoplasto → nonostante vada a suo discapito questa funzione ha favorito l’adattamento. È la più recente.

Cere

Sono formate da una lunga catena di acidi grassi e hanno un’elevata idrofobicità. Sono intracuticolari o epicuticolari.

Sono tutte e tre altamente idrofobiche. Formano delle barriere.

Sono importanti per l’evoluzione delle piante terrestri → la lignina e queste sostanze hanno impermeabilizzato le piante per impedire che l’acqua fuoriuscisse.

La cellula vegetale

La cellula delle piante, così come quella degli animali, è eucariotica, e i due hanno per questo la maggior parte degli organelli in comune. 3 però sono gli organelli che differenziano le due tipologie di cellule: infatti la cellula vegetale ha 3 organelli che quella animale non possiede:

• Parete (contiene il protoplasto);
• Vacuolo;
• Plastidi (divisi in varie categorie).

A. La parete cellulare

Il primo ad osservare una parete cellulare al microscopio fu Robert Hooke nel 1664 → stava osservando un tessuto morto, suberificato, che nonostante ciò mantiene comunque la sua funzione. Di lì a poco venne formulata la teoria cellulare, secondo cui l’unità vivente più piccola era la cellula, che si trovava alla base di ogni fonte di vita.

Gli organismi vegetali sono organizzati in maniera diversa dagli organismi animali → questi formano un sistema, un’unione, grazie ai plasmodesmi.

La parete cellulare è un compartimento esterno alla membrana plasmatica (dove non c’è il colesterolo ma il beta sitosterolo), la quale non funge da semplice involucro, poiché ha una rigidità tale da imporre la forma e da sostenere la cellula, ma è anche plastica per consentirne la crescita. Non esiste di un solo tipo → tante sono le pareti in base alle varie funzioni che deve svolgere la cellula, in base all’età e alla tipologia di cellule.

Funzioni

1. Strutturale (sostegno).
2. Contiene il protoplasto (controbilancia la pressione del protoplasto per evitare la frantumazione della cellula).
3. Dà forma e tessuto.
4. Protezione (con la lignina, suberina ecc. → per evitare che l’acqua venga dispersa, infatti questi lipidi garantiscono un’elevata idrofobicità; per difendersi dagli attacchi dei patogeni).
5. Adesione fra cellule (lamella mediana → è il primo strato di parete che si forma, ed è formata da molecole altamente idroscopiche → PECTINE).
6. Conduzione di Acqua e soluti (per via apoplastica trasporta acqua attraverso gli strati di parete cellulare per farla fluire).
7. Riconoscimento self non-self (molecole segnale, regolazione della crescita ecc.).
8. Molecole segnale.

L’acqua passa da una zona con un potenziale idrico più alto ad una con un potenziale idrico più basso. Il potenziale idrico deriva dall’energia potenziale, che rappresenta la capacità di effettuare un lavoro. Se una zona ha un potenziale idrico più alto vuol dire che ha un maggior numero di molecole. L’acqua passa finché non raggiunge un equilibrio.

Ci può essere un effetto di plasmolisi → la cellula si trova sotto stress idrico, in una soluzione ipotonica oppure in assenza totale di acqua → in questo caso l’acqua nella pianta è maggiore di quella esterna, e tenderà così ad uscire.

(Ci sono piante che si sono adattate alle condizioni di stress idrico e questo ha portato ad una modifica della parete cellulare → per evitare lo stato di avvizzimento irreversibile, ossia lo stadio successivo allo stress idrico).

In un altro caso, quando la pianta sta bene, ha la Pressione di Turgore → l’acqua all’esterno della pianta è maggiore