Botanica

Botanica – Fabrizio Grassi

6 CFU, 32 h frontali e 16 h di esercitazioni.

Testi: Biologia delle piante, Raven o Fondamenti di botanica generale, Pancaldi o Botanica generale e diversità vegetale, Abbate o Fondamenti di biologia delle piante, Mauseth.

Esame: orale, 3 o 4 domande su teoria e riconoscimento immagini. Importanti le misure. Valutata l’abilità nel riconoscere immagini, descrizione di tessuti, organi, cosa vedo, cosa non vedo ma dovrebbe esserci, si valutano i collegamenti, proprietà di linguaggio scientifica, non studio mnemonico. Primo appello disponibile a metà dicembre.

Le piante come risorsa

Le piante sono una risorsa importante per la nostra vita, ci forniscono cibo, materie prime, medicinali, sono produttori primari negli ecosistemi, sono produttori di ossigeno che serve per la respirazione, sono capaci di trasformare l’energia luminosa in energia chimica (fotosintesi). Sono capaci di produrre energia trasformando il carbonio presente nell’aria in zuccheri, molecole altamente energiche utilizzabili dalla pianta.

Le piante sono importanti per un biologo perché molti meccanismi biologici di base sono identici tra diversi organismi viventi, la sperimentazione sulle piante ha meno problemi etici rispetto a quella svolta su animali o uomo; i geni, genomi e meccanismi ad essi legati sono analoghi in piante e animali, pertanto le piante sono buoni organismi modello per studi di biologia molecolare.

Gli eterotrofi sono organismi non in grado di sintetizzare i composti organici quindi devono per forza nutrirsi di altri organismi per poter sopravvivere. Le piante non hanno la capacità di muoversi quindi devono adattarsi all’ambiente in cui si trovano, devono riuscire a sopravvivere nell’ambiente in cui si trovano. Le piante sono organismi autotrofi fotosintetici. Sono autotrofi in quanto si producono energia da soli e vengono anche chiamati produttori primari perché producono energia a partire dalla luce.

Tutti gli ecosistemi per mantenersi sfruttano l’energia solare che viene catturata dagli organismi fotosintetici (piante e batteri) e trasformata in energia chimica, questi organismi sono chiamati produttori primari; essi vengono mangiati da erbivori che sono consumatori primari che a loro volta saranno mangiati dai carnivori che sono consumatori secondari. L’insieme di queste relazioni viene chiamato catena alimentare. In base alle relazioni trofiche ciascun gruppo di organismi occupa un livello trofico costituendo una piramide ecologica. La catena trofica è una condizione di equilibrio necessario che permette ai diversi organismi di sfruttare differenti forme di energia. In base al tipo di fonte energetica gli organismi viventi possono essere distinti in autotrofi ed eterotrofi.

Gli autotrofi

Gli autotrofi sono organismi in grado di sintetizzare, a partire da sostanze inorganiche semplici, i composti organici che forniscono l’energia necessaria allo svolgimento delle reazioni metaboliche.

Gli autotrofi si dividono in fotoautotrofi (che sintetizzano i composti organici utilizzando come sorgente di energia la luce solare e attuano un processo che prende il nome di fotosintesi; tra questi organismi sono comprese le alghe, piante e alcuni batteri) e chemioautotrofi (che sintetizzano i composti organici utilizzando come energia quella che deriva dall’ossidazione di composti inorganici; tra questi organismi ci sono i batteri nitrificanti, ferrobatteri, metanobatteri e idrogenobatteri). Quindi i chemioautotrofi producono energia ossidando i composti inorganici, mentre i fotoautotrofi tramite fotosintesi, utilizzano la luce solare per produrre sostanze energetiche che poi immagazzineranno ed utilizzeranno nel tempo.

Gli eterotrofi

Gli eterotrofi sono organismi non in grado di sintetizzare i composti organici da precursori inorganici e devono quindi procurarseli nutrendosi di altri organismi; in particolare nei processi di respirazione cellulare, i composti organici vengono ossidati e permettono la produzione di energia che verrà poi utilizzata nelle reazioni metaboliche. Sono eterotrofi molti batteri come i protozoi, funghi e animali. Questi occupano il ruolo di consumatori.

Le piante sono quindi organismi autotrofi fotosintetici con grandi caratteristiche di adattamento.

Teoria cellulare

Tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, una o più; le reazioni chimico-biologiche avvengono nelle cellule; le cellule si originano da altre cellule e contengono il materiale ereditario che viene trasferito da cellula madre alle figlie.

Cellule eucariotiche e procariotiche hanno entrambe materiale genetico che governa tutte le attività della cellula rendendola in grado di riprodursi) e la presenza di una membrana plasmatica che delimita la cellula separando ambiente interno ed esterno.

Cellula procariotica

Comparsa 3,5 miliardi di anni fa. Parete cellulare, membrana plasmatica, all’interno citoplasma fluido disorganizzato e primitivo, non compartimentalizzato, esiste un’unica molecola di DNA circolare, molto semplice e primitivo. È tipica degli organismi più semplici (batteri e cianobatteri), è più piccola della cellula eucariotica (da 1 a 10 µm), manca di compartimentazione interna quindi gli organuli non sono delimitati da membrana e presenta una membrana plasmatica circondata da una parete cellulare con funzione protettiva composta da peptidoglucano. Il DNA è organizzato in un’unica molecola circolare, non c’è l’involucro nucleare ma risiede in una regione detta nucleoide e non è legato a istoni (proteine basiche) ed è poco organizzato. Sono assenti nucleo e istoni quindi il DNA si trova al centro della cellula.

I cianobatteri

I cianobatteri sono organismi procarioti che hanno sviluppato l’autotrofia per fotosintesi; presentano invaginazioni della membrana plasmatica detti tilacoidi all’interno delle quali è presente clorofilla e altri pigmenti (non hanno compartimentazione né cloroplasti). Sono un particolare tipo di batteri che fanno una fotosintesi molto primitiva. Essendo batteri non hanno una compartimentazione interna, non ha i cloroplasti ma hanno una membrana con invaginazioni dove troviamo i pigmenti fotosintetici. All’interno di questi avvengono reazioni fotosintetiche.

Cellula eucariotica

Comparsa 2 miliardi di anni fa. Il DNA è lineare e strettamente associato a proteine chiamate istoni e forma numerose strutture dette cromosomi. I cromosomi sono contenuti all’interno di un nucleo circondato da una doppia membrana (involucro nucleare). La parete cellulare è presente solo in alcuni organismi (piante e funghi). Presenta compartimentazione. Questa cellula ha una membrana, un citoplasma che è fluido con disciolti ioni e molecole; gli organelli sono essenziali per far avvenire più reazioni diverse nello stesso momento. La parete cellulare è presente solo in funghi e alcune piante.

Le differenze

I ribosomi sono molto più complessi nella eucariotica, il citoscheletro assente nella procariotica ma presente nella eucariotica, è un’impalcatura di filamenti proteici che mantengono la forma della cellula e trasportano le sostanze. Gli organelli sono assenti nelle procariotiche ma le reazioni metaboliche sono svolte da particolari enzimi presenti nelle invaginazioni della membrana plasmatica ad esempio i cianobatteri; nella eucariotica invece ci sono gli organelli situati in strutture compartimentate.

Domanda d’esame: quali sono le 3 caratteristiche della cellula vegetale?

La cellula vegetale: ha 3 caratteristiche, presenza di una parete vegetale che avvolge la cellula con funzione strutturale (la membrana plasmatica invece interattiva con l’esterno); è una struttura rigida che delimita in modo rigoroso la cellula. L’altra caratteristica sono i plastidi (comunemente chiamati cloroplasti ma sono solo i più comuni dentro ai plastidi) che possono poi diventare tante cose come ad esempio i cloroplasti fondamentali per la fotosintesi. Terza caratteristica è il vacuolo costituito da acqua e occupa la maggior parte della cellula vegetale. Il vacuolo è fondamentale per la pianta per molti aspetti, occupa la maggior parte della cellula infatti schiaccia tutti gli altri organelli alla periferia, è delimitato inoltre dal tonoplasto.

La membrana cellulare

È costituita da un doppio strato lipidico con incluse proteine, con spessore di circa 7 nm; ha le funzioni di selezione, semipermeabile, media i trasporti tra esterno e interno, coordina la sintesi e l’assemblaggio di microfibrille di cellulosa e infine riceve e trasmette segnali deputati al controllo della crescita e della differenziazione cellulare, protegge e regola gli scambi. Costituita da doppio strato lipidico con teste apolari rivolte verso l’esterno e code polari verso l’interno. La membrana cellulare è selettivamente permeabile infatti gli scambi con l’esterno sono essenziali e sono regolati da proteine che sono all’interno del doppio strato con funzione di trasporto attivo o passivo.

All’interno della membrana c’è un citoplasma ricco di liquido cellulare chiamato citosol e contenente diversi elementi come organelli, sistemi endomembranosi, strutture non membranose (ribosomi), nucleo e vacuoli (delimitati da tonoplasto), mitocondri, plastidi, nucleo … il citosol è una sostanza semifluida ricca di ioni e molecole, all’interno del quale troviamo mitocondri, cloroplasti e sistemi di membrane, un nucleo quindi contenente DNA (anch’esso con una membrana che lo delimita) e un grande vacuolo.

I mitocondri

Sono da 100 a 1000 in una cellula. Sono delimitati da una doppia membrana, la più interna è ripiegata a formare le creste mitocondriali che aumentano la superficie attiva dell’organulo. Sulla membrana avverranno tutte le reazioni che servono alla cellula per la respirazione. All’interno è presente una matrice liquida che contiene proteine, DNA, RNA, piccoli ribosomi e alcuni soluti. Il DNA mitocondriale è circolare e non compartimentato, è un DNA diverso da quello presente nel nucleo, più primitivo e infatti sono organelli semiautonomi quindi alcune funzioni le possono svolgere da sole e sono in costante movimento nella cellula, si dispongono in base alle richieste della cellula e si muovono grazie al citoscheletro. I mitocondri sono organelli adibiti alla produzione di molecole altamente energetiche, oltre ad essere i siti della respirazione quindi fondamentali per la cellula.

Il reticolo endoplasmatico è un sistema di membrane con funzione di trasporto per le sostanze all’interno della cellula quindi le sostanze che si devono spostare verranno accolte all’interno di porzioni di membrana prodotte dal reticolo endoplasmatico e quindi potranno poi migrare. La sua organizzazione e complessità varia in base al tipo di cellula, alla sua attività e allo stadio di sviluppo. Il RER è ricco di ribosomi, importante per produrre proteine che vanno poi al Golgi, al cui interno terminerà la loro costruzione. Il REL presenta tubuli e manca di ribosomi, è sede della sintesi dei fosfolipidi e glicoproteine necessarie per la costruzione della membrana. Il REL è il sito di sintesi dei fosfolipidi e glicoproteine che verranno poi portate verso le membrane dove serviranno per la costruzione delle membrane.

L’apparato del Golgi è un sistema di cisterne membranose appiattite e impilate le une sulle altre. La sua funzione è quella di modificare le proteine che arrivano dal RE e devono essere trasportate con vescicole attraverso le quali le varie proteine verranno trasportate a destinazione.

La riproduzione cellulare

È un aspetto fondamentale per tutte le cellule. Dalla cellula madre, dividendosi si formano 2 cellule figlie identiche che contengono circa la metà del citoplasma materno ma una replica esatta e precisa del materiale genetico. Negli organismi procarioti unicellulari aumenta il numero di individui della popolazione; negli eucarioti pluricellulari, permette di accrescere l’organismo in dimensione o di riparare i tessuti danneggiati.

Divisione cellulare nei procarioti: è un processo semplice, inizia con la duplicazione dell’unico cromosoma, si conclude con l’introflessione della parete della membrana cellulare che divide le 2 cellule (scissione binaria). È un processo che implica la duplicazione del materiale a livello genetico quindi è fondamentale che tutto il materiale genetico possa duplicarsi, quindi averlo in due copie differenti che poi verranno trasferite nelle cellule figlie. Chiaramente se questo evento di duplicazione del materiale genetico non avviene o avviene in modo sbagliato questo potrà portare gravi danni alle cellule figlie fino alla morte. Le cellule procariote abbiamo detto essere cellule molto semplici, primitive e anche il meccanismo di duplicazione lo è → avviene un’introflessione della membrana esterna dopo che si è duplicato il DNA e spostato in due poli opposti avviene un’introflessione della membrana esterna e con questa si avrà una scissione binaria, quindi, da una cellula se ne producono due.

Per le cellule eucariote invece abbiamo la mitosi: se si pensa ad una cellula (immagine) è una cellula con il suo nucleo dove all’interno sarà presente il DNA in forma lineare e ci sarà una continuità all’interno del nucleo, quindi enzimi che arriveranno al DNA, effettueranno i loro lavori (taglio DNA copia di esso ecc.) quindi grande attività degli enzimi all’interno del nucleo; ad un certo punto però arriva il segnale di divisione, quindi tutte le attività si fermano e il DNA deve riorganizzarsi per formare dei cromatidi, il DNA comincia ad avvolgersi ci saranno presenti delle proteine particolari che lo aiuteranno all’avvolgimento fino alla costituzione dei cromatidi. Una volta formati i cromatidi, l’involucro nucleare dovrà disgregarsi quindi la membrana che lo costituisce andrà a disgregarsi, successivamente tutti i lipidi rientreranno e vengono riutilizzati essendo sempre fondamentali per la produzione di membrane. Una volta disgregato l’involucro nucleare i cromatidi andranno a disporsi lungo un’asse equatoriale e attraverso la formazione del fuso mitotico i mitocondri permetteranno lo scorrimento dei cromatidi in 2 poli opposti, una volta divisi i cromatidi e portati sui due poli potrà avvenire la divisione cellulare e successivamente la riproduzione della membrana che poi andrà a ricostituire il nucleo della cellula.

Gli scienziati hanno ricapitolato tutti questi eventi in 4 fasi: profase, metafase, anafase e telofase.

Con la profase avviene la condensazione da cromatina a cromatidi fratelli e scomparsa del nucleo, con la metafase avviene la formazione del fuso mitotico e disposizione equatoriale dei cromosomi, con l’anafase avviene la separazione dei cromatidi fratelli e migrazione dei cromosomi figli verso i poli opposti della cellula e infine con la telofase si completa la separazione delle 2 serie di cromosomi, si riforma l’involucro nucleare, scompare il fuso mitotico e si ritorna alla cromatina.

Le cellule vegetali presentano alcune importanti peculiarità durante la divisione cellulare:

La divisione della cellula vegetale avviene per formazione del fragmoplasto.

Prima della profase, il nucleo che si troverà in una posizione periferica della cellula, quindi schiacciato verso la parete; il vacuolo può occupare anche il 90% della cellula quindi schiaccia tutti gli organuli verso la periferia, compreso il nucleo.

Ma durante la mitosi il nucleo deve stare al centro altrimenti la divisione non potrebbe avvenire in modo corretto quindi per far avvenire questo devono avvenire una serie → di eventi:

• 1. Comparsa del fragmosoma: il fragmosoma è una lamina di citoplasma che si forma in cellule vegetali vacuolate in preparazione alla mitosi; il nucleo deve spostarsi al centro della cellula, essendoci il vacuolo si formano briglie citoplasmatiche che partono dalla periferia fino al centro della cellula, penetrano nel vacuolo centrale e formano dei percorsi per la migrazione nucleare, per facilitare lo spostamento del nucleo dalla periferia al centro.

I filamenti di actina lungo i filamenti citoplasmatici spingono il nucleo al centro della cellula. Prima della profase il nucleo è schiacciato verso la periferia della cellula perché il vacuolo occupa la maggior parte anche il 90% della cellula quindi schiaccia il nucleo e organuli alla periferia. Sappiamo che durante la mitosi il nucleo deve stare la centro per poter essere divisa correttamente quindi per far questo devono avvenire eventi: il nucleo deve essere accompagnato al centro della cellula dove però c’è il vacuolo quindi si formano dei filamenti o briglie citoplasmatiche che partono dalla periferia al centro della cellula; queste briglie citoplasmatiche servono per formare dei percorsi per facilitare lo spostamento del nucleo dalla periferia al centro. Le briglie citoplasmatiche sono associate a filamenti di actina. Ci sarà un punto in cui filamenti citoplasmatici + filamenti di actina saranno più spessi ed è una zona chiamata fragmosoma che andrà ad occupare poi tutto il piano equatoriale della cellula che sarà il futuro piano di divisione. Quindi le briglie citoplasmatiche alla fine si condensano a formare una lamina che è il fragmosoma e sarà il futuro piano di divisione della cellula.

• 2. Comparsa della banda preprofasica: compare sotto la membrana plasmatica dove era presente il fragmosoma, è una banda di microtubuli disposti ad anello relativamente densa attorno al nucleo, esattamente a livello del piano equatoriale dove si formerà il fuso mitotico. Questa banda compare appena prima della profase. La banda preprofasica scompare alla mitosi e nel nucleo si forma il fuso mitotico. Questa banda è una struttura citoscheletrica fatta di microtubuli. Questo segnerà il punto dove avverrà la divisione: alla scomparsa della banda esattamente in quel