Botanica - Appunti completi

Botanica

La botanica è lo studio dei vegetali

• Morfologia vegetale: studia la forma esterna dei vegetali

• Citologia, Istologia ed Anatomia vegetale: studia la struttura interna

• Tassonomia vegetale: studia le somiglianze e differenze morfologiche e

molecolari che consento di classificare gli organismi secondo un ordine

gerarchico

• Sistematica vegetale: studia i rapporti di parentela tra le specie e

ricostruisce la storia evolutiva

• Fisiologia vegetale: studia le funzioni vitali

• Ecologia vegetale: studia le relazioni tra gli organismi e tra di essi e

l’ambiente

Con Carlo Linneo, ogni pianta viene identificata da un binomio latino, in cui il primo

nome, in maiuscolo si riferisce al genere (epiteto generico), ed il secondo, in

minuscolo, alla specie (epiteto specifico). Questo metodo si definisce nomenclatura

binomia. L’epiteto specifico da solo non è sufficiente ad identificare la specie, specie

diverse possono presentare epiteti specifici uguali ma appartenere a generi diversi.

Es. (Rosamarinus officinalis). Il nome dell’autore che ha descritto l’entità viene

abbreviato in maniera codificata (Linneo con L.), se un secondo autore ne cambia la

tassonomia, vengono citati entrambi gli autori: entro parentesi chi ha descritto la

specie, fuori dalla parentesi chi l’ha ricombinato. Es. (Abortiporus biennis (Bull.)

Singer).

Es.

- Artemisia biennis Wild e Abortiporus biennis SInger hanno lo stesso epiteto

specifico ma diverso epiteto generico

-Viola mammola, Viola alba Besser, Viola del pensiero e Viola etrusca Erben hanno

tutte lo stesso epiteto generico ma diverso epiteto specifico

Esistono tre diverse modalità di assunzione del nutrimento:

1. Organismi in grado di produrre autonomamente il cibo (piante, alghe ecc.) che

trasformano la sostanza inorganica in sostanza organica

2. Organismi che ingeriscono il cibo (animali eterotrofi o consumatori)

3. Organismi che assorbono il nutrimento dall’ambiente (funghi eterotrofi e

decompositori 1

I vegetali, quindi, sono in grado di fabbricare da soli sostanze organiche ricche di

energia, partendo da semplici sostanze inorganiche. Sono chiamati autotrofi (alghe,

piante e alcuni batteri) o produttori. Sono distinti in fotoautotrofi (usano energia

solare come fonte di energia) e chemioautotrofi (ricavano energia da reazioni di

ossido-riduzione). Le piante combinano il carbonio e l’ossigeno della CO2 con

l’idrogeno dell’acqua, producendo glucosio attraverso il processo fotosintetico. Tutti

gli altri organismi che soddisfano i propri fabbisogni energetici consumando composti

organici sono definiti eterotrofi (animali, funghi e la maggior parte dei batteri) o

consumatori.

Che cos’è una pianta, in cosa si distingue da un animale e cos’è una specie?

La specie è rappresentata da un insieme di individui in grado di accoppiarsi

generando una prole feconda. Tuttavia, nel mondo vegetale tale definizione è

limitativa: sono frequenti, infatti, i casi di prole ibrida fertile.

Taxa

Più individui morfologicamente e geneticamente simili appartengono ad una stessa

specie, più specie morfologicamente e geneticamente simili appartengono ad uno

stesso genere. Specie e generi sono TAXA cioè raggruppamenti tassonomici, i taxa

sono organizzati secondo un ordine gerarchico. Tutti gli esseri viventi sono

raggruppati in tre domini: Archaea, Bacteria, Eukaria, i primi due comprendenti

esclusivamente procarioti e 6 regni in tutto.

1. Dominio: Archaea ----> Regni: comprende un unico regno includente

procarioti più arcaici, con pareti e membrane diverse da quelle di tutti gli

organismi viventi; vivono in condizioni di elevata salinità (alofili), ad elevata

temperature (termofili), possono produrre metano (metanogeni).

2. Dominio: Bacteria ----> Regni: comprende un unico regno includente i

procarioti più diffusi sulla Terra, con una parete cellulare costituita da

peptidoglicano, presenti in tutti gli ambienti, sia autotrofi che eterotrofi.

3. Dominio: Eukaria ----> Regni: comprende tutti gli eucarioti, si autotrofi che

eterotrofi. È suddiviso in quattro regni: Protisti (alghe uni e pluricellulari),

Plantae, Funghi, Animalia.

Caratteri principali delle piante:

1. Eucarioti

2. Autotrofi e fototrofi (fotosintesi)

3. Pluricellulari

4. Crescita indefinita, almeno nelle piante perenni

5. Contengono amido e cellulosa come principali polisaccaridi rispettivamente di

riserva energetica e strutturale 2

6. Presentare alcuni organelli tipici quali la parete cellulare di struttura e

composizione particolare, il vacuolo e i plastidi e tra questi i cloroplasti per la

fotosintesi. Composizione chimica delle cellule

I carboidrati sono composti da C, H, O, presenti in un rapporto uguale o prossimo a

1:2:1. In base alla loro complessità si distinguono in: monosaccaridi, sono

idrosolubili, hanno sapore dolce e sono formati da un’unica molecola. A seconda del

numero di atomi troviamo i triosi (3 C), tetrosi (4 C), pentosi (5 C), esosi (6 C).

Vengono utilizzati per il loro fabbisogno energetico ma le piante li utilizzano anche

come molecole di partenza per costituire altre molecole. Sono esempi di

monosaccaridi: il glucosio, principale fonte di energia delle nostre cellule, il fruttosio,

principale componente della frutta, il ribosio e il desossiribosio che non sono

presenti in forma libera ma sono tra i principali costituenti degli acidi nucleici. Il

glucosio e il fruttosio sono isomeri, cioè molecole con la stessa formula molecolare

ma differente struttura. Il glucosio, nella sua forma chiusa esagonale, può assumere

due forme a seconda che il gruppo ossidrilico –OH del carbonio in posizione 1 si trovi

in opposizione al gruppo –CH2OH (glucosio a), in posizione 6 o dalla stessa parte

(glucosio b). In disaccaridi, che si formano dall’unione di due monosaccaridi con

espulsione di una molecola di acqua (reazione di condensazione). Sono esempi: il

saccarosio, (glucosio+ fruttosio) il comune zucchero da tavola, il lattosio, (glucosio+

galattosio) il principale disaccaride presente nel latte; il maltosio (glucosio+ glucosio),

deriva da una reazione di condensazione tra due molecole di a-glucosio con la

formazione di un legame glicosidico di tipo a, ed eliminazione di una molecola

d’acqua. Il cellobiosio (glucosio+ glucosio) deriva da una reazione di condensazione

tra due molecole di b-glucosio con la formazione di un legame glicosidico di tipo b, ed

eliminazione di una molecola d’acqua. In oligosaccaridi che sono composti da 3 a 20

monosaccaridi, mentre i polisaccaridi da centinaia a migliaia monosaccaridi. Si

formano per reazioni di condensazione e sono perciò dei polimeri di grandi

dimensioni. Possono derivare dall’unione di molecole uguali (omopolisaccaridi) o

diverse (eteropolisaccaridi). Oligosaccaridi e polisaccaridi sono accumulati come:

riserva (amido nelle piante, glicogeno negli animali), composti strutturali (cellulosa

nelle piante, chitina nei funghi e negli insetti). I principali omopolisaccaridi sono

polimeri del glucosio, che si differenziano per il modo in cui i monomeri sono tra essi

legati; ciò influenza la geometria della molecola risultante e quindi le sue proprietà e

funzioni, essi sono la cellulosa e l’amido. La cellulosa è un polisaccaride lineare con

funzione strutturale, è presente in tutti i tessuti vegetali, come componente della

parete vegetale. La cellulosa ha una configurazione rettilinea con molecole legate

con un legame glucosidico di tipo b 1---> 4. I gruppi –OH che espongono consentono

il legame con gruppi –OH di catene limitrofe. L'aggregazione di molecole adiacenti di 3

cellulosa conferisce resistenza e rigidità alla parete. L’amido è un polimero dell’ a-

glucosio che si ripiega a formare i noti “granuli di amido”, prodotti dai vegetali come

riserva energetica. Durante la fotosintesi, nelle ore diurne, può accadere che la

pianta produca più glucosio rispetto alle proprie necessità, il glucosio in eccesso

viene polimerizzato ad amido ed accumulato nello stroma dei cloroplasti (amido

primario o transitorio).

Durante la notte l’amido primario viene idrolizzato in zuccheri solubili; in parte

questi zuccheri vengono consumati per il metabolismo della cellula, in parte vengono

trasportati in organi di accumulo ed immagazzinati in organelli cellulari, gli

amiloplasti, dove l’amido viene riformato. Di giorno il glucosio prodotto in eccesso,

essendo solubile in acqua, produrrebbe squilibri osmotici richiamando acqua

dall’esterno, è allora convertito in amido insolubile.

Durante la notte l’amido primario viene

idrolizzato in zuccheri solubili; in parte questi

zuccheri vengono consumati per il

metabolismo della cellula, in parte vengono

trasportati in organi di accumulo ed

immagazzinati in organelli cellulari, gli

amiloplasti, dove l’amido viene riformato. Di

giorno il glucosio prodotto in eccesso,

essendo solubile in acqua, produrrebbe

squilibri osmotici richiamando acqua

dall’esterno, è allora convertito in amido

insolubile.

Una volta accumulato deve essere traslocato,

per tale motivo di notte viene trasportato

fuori dai cloroplasti, depolimerizzato e

convertito in saccarosio che essendo solubile

è traslocato in soluzione attraverso il tessuto

conduttore (floema) fino agli organi di

accumulo (fusto e radice) dove è ri-polimerizzato in amido secondario. La pianta usa

l’amido secondario per mantenere un’attività metabolica minima durante i periodi di

quiescenza. L'amido è anche presente nei semi, per fornire l’energia necessaria alla

germinazione e crescita della futura pianta finchè non sarà autonoma. L'amido è

costituito da un miscuglio di due polisaccaridi dell’ a-glucosio. Nell'amido primario

l’amilosio è presente per circa il 20% (lineare e solubile in acqua) e l’amilopectina è

presente per circa l’80% (ramificata ed insolubile in acqua). I legami alfa, che tengono

unite le molecole di glucosio dell’amido sono più facili da rompere dei legami beta

della cellulosa; ogni qualvolta quindi la pianta necessita di energia, una molecola di 4

glucosio viene facilmente staccata per idrolisi e metabolizzata. Un altro

omopolisaccaride è l’Agar: polisaccaride strutturale delle cellule delle alghe marine

usato come gelificante naturale, è b-galattosio, esoso uguale al glucosio nella

composizione e nella struttura, ne differisce per la posizione dell’-OH sul C-4). I

principali eteropolisaccaridi sono: le emicellulose sono presenti nelle pareti delle

cellule vegetali; ne esistono diverse, tutte caratterizzate da uno scheletro lineare

formato da un solo zucchero e delle corte catene laterali di altri zuccheri. Sono

molecole lunghe che formano facilmente legami idrogeno. Svolgono pertanto un

ruolo importante nel legare tra loro le fibrille di cellulosa nella parete, formando una

rete e conferendo maggiore rigidità. Un altro eteropolisaccaride sono le pectine,

catene ramificate ricche di acido galatturonico. Sono importanti componenti della

parete delle cellule vegetali, sono in grado di formare gel e quindi molto usate

nell’industria alimentare e cosmetica.

La parete cellulare è formata:

- Nelle cellule vegetali per lo più da cellulosa

- Nei batteri principalmente da peptidoglicano

- Nei funghi da chitina

Il peptidoglicano è un polimero costituito da zuccheri e amminoacidi, responsabile

La chitina è un polisaccaride strutturale ed

della rigidità delle cellule batteriche.

oltre ad essere il componente principale della parete cellulare dei funghi è anche

il componente principale dell’esoscheletro di insetti e crostacei.

Le proteine sono dei polimeri le cui unità costitutive sono gli amminoacidi, uniti a

formare delle lunghe catene polipeptidiche. In tutto gli amminoacidi esistenti sono

20. La struttura e le proprietà delle diverse proteine dipenderanno dal tipo, dal

numero e dalla sequenza dei diversi amminoacidi presenti. Ogni proteina è formata

da una o più catene di amminoacidi, ripiegate su sé stesse, disposte a formare una

struttura tridimensionale, caratteristica delle diverse proteine. Gli amminoacidi

presentano due gruppi funzionali, un gruppo amminico (NH3+) e un gruppo

carbossilico (COO-) legati ad uno stesso atomo di carbonio, al quale è legato anche

un atomo di idrogeno ed una catena laterale, detta gruppo radicale, indicata con R.

Gli amminoacidi sono legati con legami peptidici che si formano tra il gruppo

carbossilico di un amminoacido e quello amminico di un altro amminoacido, con la

liberazione di una molecola d‘acqua. Ogni proteina ha poi quattro possibili livelli di

struttura da cui dipende la sua funzione. Viene definita struttura primaria di una

proteina la sequenza lineare di amminoacidi uniti da legami peptidici. Le interazioni

tra i vari amminoacidi portano ad un ripiegamento (struttura secondaria): una delle

più comuni strutture secondarie è l’a-elica, elicoidale, mantenuta da legami

idrogeno; un’altra struttura a foglietto, con catene polipeptidiche allineate e 5

parallele. Questi due tipi di strutture caratterizzano le proteine fibrose, con ruoli per

lo più strutturali (sostegno). In altre proteine globulari, la struttura secondaria si

ripiega per formare la struttura terziaria. Sono globulari la maggior parte degli

enzimi e delle proteine di membrana. La struttura terziaria si forma in seguito ad

interazioni tra i gruppi R degli amminoacidi che formano legami deboli. Questi legami

possono rompersi facilmente determinando la depolimerizzazione delle proteine,

con perdita delle proprietà biologiche. Gli enzimi sono proteine globulari e

funzionano come catalizzatori, cioè aumentano la velocità delle reazioni chimiche

senza subire modificazioni alla fine del processo e pertanto riutilizzabili più volte.

Molte proteine sono costituite da più catene polipeptidiche unite con legami diversi;

questo livello di organizzazione, chiamata struttura quaternaria è tipica delle

proteine strutturali (sostegno).

Diverse sono le proteine strutturali presenti nella parete delle cellule vegetali,

suddivise in 4 gruppi. un importante gruppo di proteine strutturali sono le

glicoproteine ricche dell‘amminoacido idrossiprolina (HRGP), tra le quali la più nota è

l‘estensina. Altre sono:

-Le proteine ricche di prolina (PRP)

- Le proteine ricche di glicina (PRG) -

Le arabinogalattonoproteine (AGP)

I Lipidi sono sostanze grasse e oleose; a differenza dei carboidrati e della maggior

parte delle molecole biologiche sono idrofobi quindi insolubili in acqua.

Rappresentano molecole di riserva energetica. Contengono molti legami C-H quindi

liberano, per ossidazione, più energia degli altri composti organici. Vengono

sintetizzati nelle cellule a partire da carboidrati e sono poi accumulati come riserva in

semi e frutti. I lipidi più semplici sono i trigliceridi che se a temperatura ambiente

sono solidi vengono chiamati grassi, mentre se sono liquidi sono chiamati oli. I

trigliceridi sono costituiti da 3 molecole di acidi grassi uniti ad una molecola di

glicerolo, un alcool con tre gruppi ossidrilici. Quando il gruppo carbossilico (-COOH) di

ciascun acido grasso si lega ad un gruppo ossidrilico del glicerolo si forma un legame 6

estere. Gli acidi grassi sono distinti in: saturi (legami semplici) e insaturi (legami

multipli).

Gli acidi nucleici sono polimeri specializzati per custodire, trasmettere ed utilizzare

l’informazione genetica. Esistono due tipi di acidi nucleici: il DNA che porta codificata

l’informazione ereditaria e la trasmette di generazione in generazione e l’RNA che

aiuta a tradurre l’informazione contenuta nel DNA e dirige la sintesi delle proteine.

Sono polimeri costituiti di lunghe catene di monomeri detti nucleotidi. Un nucleotide

è composto da tre componenti: gruppo fosforico (PO4 3-), zucchero a 5 atomi di

carbonio e una base azotata. Ci sono cinque differenti basi azotate, nel DNA le purine

sono Adenina (A) e Guanina (G) e le pirimidine sono Timina (T) e Citosina (C).

Nell'RNA le purine sono Adenina (A) e Guanina (G) e le pirimidine sono Citosina (C) e

Uracile (U). L'ossatura della macromolecola del DNA e dell’RNA consiste in una

catena di nucleotidi uniti da legami covalenti tra lo zucchero di un nucleotide e il

fosfato di quello successivo. Le basi sono attaccate allo zucchero e sporgono rispetto

alla catena polinucleotidica. Una proprietà essenziale del materiale genetico è la

capacità di fornire una copia di sé stesso.

Cellula vegetale

Parete cellulare, plastidi e vacuoli sono le strutture tipiche delle cellule vegetali.

La parete cellulare è esterna alla membrana plasmatica:

- È sufficientemente rigida da determinare la forma e da sostenere la cellula

- È sufficientemente plastica da consentire la crescita 7

È rigida, perciò, limita le dimensioni del protoplasto impedendo che subisca rotture

quando il vacuolo aumenta di volume per assorbimento d’acqua e determina la

forma delle cellule e quindi la struttura definitiva degli organi della pianta. La parete

cellulare è composta da:

- Componente fibrillare: Cellulosa; le molecole di glucosio sono disposte a

formare catene lineari che si uniscono a formare microfibrille. La componente

fibrillare conferisce elasticità alla parete.

- Componente matriciale: - Acqua

- Proteine strutturali presenti in piccole quantità

- Polisaccaridi: Sostanza pectiche ed emicellulose

Componente fibrillare

Fino a 6 molecole di

cellulosa si dispongono

parallelamente a

formare una micella,

più micelle si associano

a formare una

microfibrilla, del

diametro di circa 10-25

nm. Le microfibrille si

uniscono tra loro per

formare macrofibrille, sottili filamenti del diametro di 0,5 um. Ogni macrofibrilla ha

una resisten