Botanica - Appunti

Botanica

Le piante sono importanti per la nostra vita perché ci forniscono cibo, materie prime, medicinali, metaboliti secondari, sono produttori primari negli ecosistemi e di ossigeno che serve per la respirazione. Sono capaci di trasformare l’energia luminosa in energia chimica, fotosintesi.

Le piante sono molto importanti per un biologo: ad esempio i meccanismi sono comuni a diversi organismi viventi, i geni e genomi sono analoghi in piante e animali, ecologia e conservazione, adattamento, agricoltura moderna, biotecnologie vegetali, OGM…

L’ecosistema è l’unità funzionale dell’ecologia. Gli organismi viventi sono sempre in stretta dipendenza reciproca e costituiscono nel loro insieme una comunità biologica o biocenosi. Ogni biocenosi occupa una certa area detta biotopo. Tendenzialmente le piante sono sessili, occupando una determinata area.

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 detti produttori primari. Essi vengono mangiati dagli erbivori, consumatori primari, che a loro volta saranno mangiati dai carnivori, consumatori secondari. L’insieme di queste relazioni è definito 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 e eterotrofi.

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. Si suddividono in:

• Fotoautotrofi: sintetizzano i composti organici usando come fonte di energia la luce solare, la luce solare, e attuano un processo definito fotosintesi. Tra questi organismi troviamo alghe, piante, alcuni batteri.
• Chemioautotrofi: sintetizzano i composti organici utilizzando come energia quella che deriva dall’ossidazione di composti inorganici. Tra questi vi sono i batteri nitrificanti, ferrobatteri, i metanobatteri e gli idrogenobatteri.

Gli eterotrofi sono organismi non in grado di sintetizzare i composti organici da precursori inorganici e che devono 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, i protozoi, i funghi e gli animali. Occupano il ruolo di consumatori. I tipi di nutrizione sono per assorbimento, alcuni batteri e funghi, o per ingestione, animali.

Cellula vegetale

La cellula si trova in tutti gli organismi viventi. Quindi la cellula è l’unità fondamentale della vita. La struttura base è costante sia negli animali sia nei vegetali. Dal punto di vista funzionale è in grado di assumere sostanza dall’esterno, elaborare per ottenere molecole e spostarle al suo interno per produrre energia…

Gli organismi possono essere unicellulari e pluricellulari. Le varie reazioni chimico-biologiche avvengono in esse. Le cellule si originano da altre cellule in quanto si duplica il materiale genetico che viene trasferito poi alle cellule figlie.

Le caratteristiche comuni a tutte le cellule sono la presenza di una membrana esterna, membrana plasmatica, che separa l’ambiente cellulare da quello esterno e la presenza del materiale genetico che governa tutte le attività della cellula e la rende in grado di riprodursi.

Cellule procarioti

Le cellule procarioti caratterizzano gli organismi più semplici, batteri, cianobatteri, ed è nata 3,5 miliardi di anni fa. Ha delle piccole dimensioni tra 1 e 10 µm. Gli organuli non sono delimitati da una membrana, quindi manca una compartimentazione interna. È una cellula indipendente grazie alla presenza di una membrana plasmatica circondata da una parete cellulare, funzione protettiva, composta da peptidoglucano. Quindi non si ha la vera e propria specializzazione della cellula. Non è composta da un involucro nucleare ma l’unica molecola di cromosoma circolare risiede in una regione detta nucleoide. Non è legato ad istoni, proteine basiche, ed è poco organizzato.

Cellule eucarioti

Le cellule eucarioti comparirono 2 miliardi di anni fa, teoria endosimbiontica seriale di Margulis. Ha una grandezza maggiore di 10-100 µm. Normalmente le cellule eucarioti si aggregano a formare organismi pluricellulari. Strutturalmente si ha la presenza degli organelli: oltre a una membrana esterna si ha anche una interna, ciò vuol dire nel corso del tempo la cellula doveva fare qualcosa che non poteva avvenire nel citosol, ma nella membrana. Il DNA è lineare strettamente associato a particolari proteine, istoni, e forma numerose strutture dette cromosomi, cromatina se separati. I cromosomi sono contenuti nel nucleo circondato da una doppia membrana, l’involucro nucleare, si ha una compartimentazione. La parete cellulare è presente solo in alcuni organismi, piante e funghi, non è omologa a quella dei procarioti.

Esistono delle differenze tra le due anche a livello del citoplasma. Nell’eucariote ad esempio troviamo un citoscheletro che è un’impalcatura di filamenti proteici che mantengono la forma della cellula e trasportano le sostanze, mentre è assente nelle procarioti. I processi metabolici avvengono negli organelli delle cellule eucarioti che sono strutture compartimentate, mitocondri e cloroplasti, mentre nella procariote non si hanno organelli perciò le reazioni metaboliche sono svolte da enzimi presenti nelle invaginazioni della membrana plasmatica, cianobatteri. I ribosomi sono in ridotte dimensioni nelle procarioti, mentre nelle eucarioti sono più complessi di RNA e proteine deputati alla sintesi proteica.

Ciò che non andava nelle cellule procarioti era dato dall’evoluzione e dalla competitività, dato che avevano peculiarità limitanti come il fatto di dover stare in acqua. Per conquistare le terre emerse le cellule avevano bisogno di più energia e ATP per fare qualsiasi cosa. Quindi c’era bisogno di più zone per catturare la luce. Probabilmente in questo modo si sarebbero sviluppati le prime cellule fotosintetiche attraverso delle invaginazioni, andando via via a distinguere il citoplasma in parti e membrane. Queste membrane assorbivano la luce più facilmente in organelli che avevano la possibilità di spostarsi liberamente. Sembra che poi questo procariote sia stato inglobato ed abbia dato vita al cloroplasto. Quindi per aumentare l’efficienza fotosintetica era importante aumentare la quantità di membrane. Degli organismi procarioti che hanno sviluppato l’autotrofia per fotosintesi. Presentano invaginazioni della membrana plasmatica dette tilacoidi all’interno delle quali è presente clorofilla e altri pigmenti.

Caratteristiche della cellula vegetale

Le cellule vegetali e animali hanno delle strutture peculiari ed altre differenti. Quindi la cellula vegetale rispetto a quella animale è caratterizzata da plastidi, vacuolo e parete vegetale. Esternamente è descritta da una parete che è semirigida, mentre nucleo e citoplasma insieme sono il protoplasto. Il citoplasma è delimitato da una membrana plasmatica e al suo interno è presente un liquido chiamato citosol. Il citoplasma potrebbe avere una dimensione molto limitata in base alla grandezza del vacuolo che può occupare dal 50% al 90% della cellula. La cellula vegetale contiene organelli, sistemi di membrane, strutture non membranosi, ribosomi, nucleo e uno o più vacuoli delimitati dal tonoplasto.

La membrana cellulare è formata da un doppio strato fosfolipidico con incluse proteine globulari ed ha uno spessore di 7 nm. È definita da uno strato polare e uno apolare che permettono l’interazione e scambi con l’esterno. Si crea come un gioco polare-apolare-polare di chi può passare e chi no per creare dei potenziali sia per proteggersi. Quindi la membrana non è una struttura passiva, ma è selettiva e semipermeabile, media i trasporti attraverso il protoplasto. Coordina la sintesi e l’assemblaggio di microfibrille di cellulosa che costituiranno poi la parete cellulare. Riceve e trasmette segnali deputati al controllo della crescita e della differenziazione cellulare.

Il nucleo non cambia molto da quello della cellula animale in quanto contiene il DNA, organizzato in cromosomi e legato a istoni e proteine strutturali. È delimitato da una doppia membrana, involucro nucleare. L’involucro nucleare presenta numerosi pori per lo scambio di materiale tra nucleo e citoplasma. Le sue funzioni principali sono quelle di controllare lo svolgimento delle attività cellulari attraverso la regolazione della sintesi proteica e di racchiudere l’informazione genetica della cellula e la trasmette alle cellule figlie, tramite la divisione cellulare.

I mitocondri variano da 100 a 1000 in una cellula. La struttura è delimitata da una doppia membrana, la più interna ripiegata a formare delle creste mitocondriali che aumentano la superficie attiva dell’organulo in grado di compiere respirazione cellulare per produrre energia. All’interno è presente una matrice liquida che contiene proteine, DNA, RNA, piccoli ribosomi e alcuni soluti. Sono organelli semiautonomi con DNA circolare non compartimentato. Sono in continuo movimento e si dispongono in base alle richieste della cellula.

Nelle cellule eucariote abbiamo il reticolo endoplasmatico che è un sistema di membrane con funzione di trasporto per le sostanze all’interno della cellula. La sua organizzazione e complessità varia in base al tipo di cellula, alla sua attività e allo stadio di sviluppo. Il RER, r. e. rugoso, è ricco di ribosomi ed è importante per produrre proteine che vanno poi al Golgi al cui interno termineranno la loro costruzione. Il REL, r. e. liscio, presenta tubuli e manca di ribosomi, è sede della sintesi dei fosfolipidi e glicoproteine necessarie per la costruzione della membrana. I due tipi di RE coesistono e sono interconnessi all’interno della cellula.

L’apparato di Golgi è un sistema di cisterne membranose appiattite e impilate le une sulle altre. Si identificano tre elementi: le vescicole transfer, veicolano nel comparto, le cisterne e le vescicole di secrezione, porta verso la membrana e poi all’esterno come ad esempio profumi o gusti. Rielabora e modifica le molecole provenienti da altri organuli, es. RE, all’interno delle cisterne. Seleziona ed esporta i nuovi prodotti cellulari, lipidi, glicolipidi e glicoproteine, verso la loro sede corretta tramite le vescicole di secrezione.

I ribosomi sono piccole particelle, 20 nm, costituite da RNA e proteine. Sono costituiti da due subunità prodotte dal nucleo e trasportate ed assemblate nel citoplasma. Sono abbondanti nel citosol in forma libera o legati al RER. Sono i siti in cui gli amminoacidi si legano tra loro a formare le proteine.

Riproduzione cellulare

La riproduzione cellulare è data da una divisione dalla cellula madre a due cellule figlie identiche che contengono circa la metà del citoplasma materno e la replica esatta del materiale genetico. Negli organismi procarioti unicellulari: aumenta il numero di individui della popolazione, mentre negli organismi eucarioti pluricellulari: accresce l’organismo e ripara i tessuti danneggiati. La divisione cellulare nei procarioti è un processo relativamente semplice che inizia con la duplicazione dell’unico cromosoma e si conclude con l’introflessione della parete e della membrana cellulare, che divide le 2 cellule, si definisce scissione binaria.

La riproduzione cellulare negli eucarioti è un processo più complicato perché sono organismi pluricellulari con un DNA quantitativamente maggiore ed è organizzato in molecole lineari contenute in numerosi cromosomi distinti. Ad esempio nelle piante serve molta regolazione e messaggi che diano le informazioni ai germogli, sul dove crescere e quando. Il ciclo cellulare è la serie di eventi che porta alla formazione di due nuove cellule figlie. La prima è una fase preparatoria alla divisione cellulare detta interfase, in cui ad esempio si ha la duplicazione dei cromosomi, fase G1, S, G2. La mitosi successivamente è la divisione nucleare, seguita dalla divisione citoplasmatica o citodieresi. Queste ultime due fasi, o fase M, completano la divisione cellulare. Negli animali è rarissimo che si blocchino prima della fase M, mentre la cellula vegetale può uscire in qualunque momento dal ciclo; G1, G1 quiescente, G2, G2 quiescente o G0. Questo accade perché le piante in quanto sessili sono preda degli eventi, quindi lo bloccano a seconda della loro comodità in risposta all’ambiente esterno.

La mitosi è un processo diviso in quattro fasi. La Profase fa la condensazione da cromatina a cromatidi fratelli e scomparsa del nucleo. La Metafase indica la formazione del fuso mitotico e disposizione equatoriale dei cromosomi. L’Anafase definisce la separazione dei cromatidi fratelli e migrazione dei cromosomi figli verso i poli opposti della cellula. La Telofase completa la separazione delle 2 serie di cromosomi, riforma l’involucro nucleare, scompare il fuso mitotico e si ritorna alla cromatina. Mentre nelle cellule vegetali delle piante adulte si hanno delle peculiarità, poiché si dice che avviene la divisione cellulare per fragmoplasto. Nella fase G1, prima della duplicazione del DNA, il nucleo cerca di raggiungere il centro della cellula. Si attacca a briglie citoplasmatiche che alla fine condensano a formare una lamina trasversale di citoplasma che taglia la cellula secondo il piano in cui essa si dividerà. Questa lamina ricca di microtubuli e filamenti di actina è detta Fragmosoma. Subito dopo sotto la membrana plasmatica si ottiene una banda di microtubuli disposti ad anello intorno al nucleo esattamente a livello del piano equatoriale dove si troverà il fuso mitotico. Prepara quindi il piano del fuso mitotico alla divisione, portandolo al centro. Questa banda che compare nella fase G2 prima quindi della mitosi è detta Banda Preprofasica.

La banda preprofasica scompare alla mitosi e nel nucleo si forma il fuso mitotico. Terminata la mitosi e durante la citodieresi dei microtubuli si allineano in corrispondenza della piastra metafasica ed iniziano a catturare vescicole del Golgi che si allungano cercando di raggiungere la membrana plasmatica, così dividendo i due nuclei. Questa struttura è detta Fragmoplasto. Ecco quindi che questa piastra cellulare si fonderà con la membrana plasmatica divenendo parte di essa e separando così la cellula in 2 nuove cellule figlie.

Plastidi e la fotosintesi

Sono organuli cellule vegetali caratteristici delle cellule vegetali, mancano nei funghi e procarioti, variano per tipo e funzione. Sono semiautonomi dato che sono in grado di riprodursi per divisione e di sintetizzare alcune proteine di cui necessitano. Il termine semi è dato dall’evoluzione del DNA dei plastidi che col tempo si è modificato, perciò i plastidi ottengono le proteine sia dalla sintesi proteica esterna che dalla sintesi nucleare. I plastidi hanno una doppia membrana esterna. Al loro interno si differenziano un sistema di membrane dette Tilacoidi che sono immersi in una sostanza fondamentale o Stroma che contiene DNA, RNA, ribosomi. Il DNA è strutturalmente simile a quello batterico, circolare e non legato a istoni. I plastidi svolgono diverse funzioni, essendo coinvolti nei processi di fotosintesi e di accumulo di sostanze.

Mitocondri e cloroplasti si sono probabilmente originati da una cellula procariote. Ci sono diverse prove a favore di questa teoria ad esempio la presenza di un proprio DNA, molecola piccola circolare e non organizzata dentro un nucleo. Sono caratterizzati dai ribosomi 70S, come i procarioti, e non 80S come gli eucarioti. Sono in grado di sintetizzare proteine a partire dal proprio DNA. Si dividono per scissione binaria, tipica dei procarioti e hanno una doppia membrana una delle quali deriva dal procariote originario, mentre non possiedono microtubuli.

L’origine degli organismi eucariotici è spiegata dalla teoria endosimbiontica seriale di Lynn Margulis. Il progenitore procariote perde la parete cellulare e acquista la capacità di inglobare un altro procariote, introflettendo la membrana plasmatica, e formando un complesso sistema di membrane. Fagocita un batterio capace di respirare conservandolo come ospite, endosimbiosi, in una vescicola citoplasmatica. Diventerà un mitocondrio. Successivamente fagocita un cianobatterio fotosintetico conservandolo come ospite, endosimbiosi, in una vescicola citoplasmatica che sarebbe diventato un plastidio. Quindi in primis si è sviluppata la cella eucariote animale e poi vegetale. Il primo organismo completamente autonomo sono state le alghe.

I plastidi sono classificati in base ai pigmenti contenuti e la funzione svolta.

I proplastidi sono i precursori dei plastidi differenziati, rappresentandone lo stadio giovanile. Da essi si sviluppano i plastidi adulti: cloroplasti, ezioplasti, cromoplasti, leucoplasti e amiloplasti. I proplastidi sono presenti nelle cellule giovanili o meristematiche di germogli e radici. Sono organelli totipotenti ciò vuol dire che hanno la capacità di evolversi o in un cloroplasto, o cromoplasto. Possono differenziarsi in ogni tipo di plastidio e inoltre hanno la capacità di tornare indietro nello stadio ancestrale di proplastide per poi differenziarsi in un altro derivato. I proplastidi sono molto piccoli, 0,5-1 µm, con un DNA circolare e pochi ribosomi. Sono incolori quindi non hanno la clorofilla ma la protoclorofilla. Anche i tilacoidi, si