Botanica Generale: appunti d'esame completi

BOTANICA GENERALE

Iniziamo lo studio della cellula vegetale a partire dai suoi organelli più caratteristici, cioè i cloroplasti. I cloroplasti si possono

trovare in cellule vegetali che appartengono al tessuto parenchimatico fotosintetico. Per osservarli è necessario fare una

sezione di parti della pianta come ad esempio la foglia; in alternativa è possibile osservarli al microscopio ottico per

trasparenza, in particolari alghe composte solo da due strati cellulari. Si ritiene che i cloroplasti si siano originati per

endosimbiosi: in particolare esiste un’endosimbiosi primaria, dove un eucariote eterotrofo ha inglobato un cianobatterio e

quindi il cloroplasto è ricoperto da una doppia membrana, e un’endosimbiosi secondaria, dove un eucariote eterotrofo ha

inglobato un’alga unicellulare della quale è rimasto solo il mitocondrio per degenerazione di nucleo e altri organelli ed è

delimitato da un involucro formato da più di due strati di membrana detto envelope. L’ipotesi monofiletica prevede un singolo

evento di endosimbiosi dal quale si originano 3 diverse linee evolutive: glaucofite, alghe verdi e alghe rosse, tutte e tre con

cloroplasti con due membrane. L’ipotesi polifiletica prevede invece numerosi eventi endosimbiotici che sarebbero all’origine

della biodiversità vegetale. Tra le evidenze che hanno portato a validare la teoria dell’endosimbiosi ci sono le numerose

similitudini tra i plastidi e le cellule procarioti: i plastidi (come i mitocondri) sono infatti definiti degli organelli semi-autonomi,

cioè sono in grado di sintetizzare alcune delle proteine necessarie per le loro funzioni. Hanno infatti un DNA simile a quello

procariotico, dei ribosomi 70S come quelli procariotici e la sintesi proteica viene inibita dal cloramfenicolo, un antibiotico. Il

cloroplasto è in grado di fissare l’anidride carbonica atmosferica in ribulosio-1,5-bifosfato grazie all’enzima ribulosio-1,5-

bifosfato carbossilasi (Rubisco): questo enzima è prodotto a partire da subunità codificate dal nucleo e da altre codificate dal

DNA del cloroplasto. Un’altra somiglianza tra i cloroplasti e le cellule procarioti sta nel fatto che si dividano entrambi per

scissione binaria. I cloroplasti sono quindi organelli di forma ovoidale e diametro variabile presenti in tutte le cellule

fotosintetizzanti: non solo quindi nelle foglie, ma anche in altri tessuti della pianta che almeno in un certo periodo di vita

effettuano fotosintesi (come ad esempio nel caso di frutti non maturi). Il cloroplasto è

costituito esternamente da un envelope, un involucro membranoso con caratteristiche

particolari, che contiene una matrice detta stroma e un insieme di membrane interne che

formano il sistema tilacoidale: questo sistema è formato da tilacoidi stromatici o intergranali

e da tilacoidi granali, strutturalmente identici. I tilacoidi intergranali o stromatici collegano

tra loro gli impilamenti di tilacoidi granali, che nel loro insieme formano un granum (al

plurale grana). All’interno del cloroplasto possono essere anche presenti delle gocciole

lipidiche, che spesso rappresentano un segnale di senescenza dell’organello: nel caso in cui

la pianta subisca uno stress biotico o abiotico (come l’alta temperatura o l’esposizione a

raggi UV), i suoi cloroplasti possono andare incontro a modifiche come la disgregazione

delle membrane tilacoidali granali e la comparsa di gocciole lipidiche. Le gocciole lipidiche

sono formate dai lipidi che si staccano dalle membrane tilacoidali in disfacimento: queste membrane (come l’envelope) hanno

la caratteristica di essere formate da fosfolipidi, ma anche (e in percentuale maggiore) da monogalattosil-digliceridi e

digalattosil-digliceridi. L’envelope è costituito da due membrane: quella esterna

riconosce e trasferisce dal citoplasma allo stroma i componenti e le subunità necessarie

al cloroplasto per svolgere le sue funzioni, mentre la membrana interna regola il flusso

di ioni e metaboliti all’interno dell’organello. Tra le due membrane è presente uno

spazio detto spazio periplastidiale e nell’envelope sono inseriti trasportatori (es. per

l’ossalacetato, per il nitrato) e ATPasi. La membrana esterna è poco selettiva, mentre la

membrana interna funge da barriera e permette il passaggio di molecole piccole dal

punto di vista dell’ingombro sterico come l’acqua: le due membrane collaborano in una

connessione continua tra il nucleo cellulare e l’organello. Per quanto riguarda gli

impilamenti granali, si parla di partizioni facendo riferimento alle parti di membrane

tilacoidi sovrapposte tra loro, mentre con il termine margini si fa riferimento alle parti più laterali e non impilate del granum.

All’interno dei cloroplasti, oltre a lipidi e proteine sono presenti anche diversi pigmenti clorofilliani: le clorofille sono dei

metallo composti appartenenti alla famiglia delle porfirine che assorbono la luce visibile (nel rosso e nel blu) ed emettono

fluorescenza nel rosso. Comprendono la batterioclorofilla (presente nei batteri fotosintetizzanti con fotosintesi anossigenica),

la clorofilla a (presente in tutti gli organismi con fotosintesi ossigenica), la clorofilla b (presente negli organismi fotosintetici

“verdi”) e le clorofille c (presenti solo in alcuni gruppi algali). La clorofilla possiede un gruppo pirrolico con al centro un atomo

di magnesio 2+ (simile all’emoglobina che ha però un atomo di ferro) e un residuo fitolico che rappresenta una coda

idrofobica. Una pianta può andare incontro a clorosi (ingiallimento delle foglie omogeneo o a chiazze) in seguito a diversi

stress o carenze: in particolare può essere conseguenza di un eccesso di calcio e fosforo o di una carenza di azoto, zinco e

magnesio, che porta al blocco della sintesi della clorofilla. Oltre alle clorofille esistono altri pigmenti fotosensibili come i

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carotenoidi: sono composti isoprenoidi a 40 atomi di carbonio con numerosi doppi legami. Si dividono principalmente in

caroteni (come il β-carotene) e in xantofille, cioè forma ossigenate dei caroteni come la luteina, la violaxantina, la neoxantina e

la zeaxantina. Hanno picchi di assorbimento della luce nella regione del viola-blu (390 – 530 nm) e nella regione del blu sono

più efficienti nella raccolta della luce rispetto alle clorofille. Sono anche detti pigmenti antenna in quanto coadiuvano l’azione

delle clorofille nella cattura dell’energia luminosa, recependo la luce in range di lunghezze d’onda non coperti dalle clorofille;

fungono inoltre da protezione verso i danni fotoossidativi. Il β-carotene è anche un componente importante delle creme solari

in quanto assorbe i raggi UV nocivi per la pelle fungendo da filtro chimico; nelle creme sono poi presenti altri filtri chimici e

anche filtri fisici che riflettono i raggi. Il β-carotene quindi contribuisce ad aumentare l’indice di protezione (IP, come 40 o 20

nelle creme). I cloroplasti delle alghe rosse sono invece formati da un numero

variabile di membrane che compongono l’envelope, che in

particolare possono essere da 3 a 5 in base agli eventi di

endosimbiosi secondaria da cui derivano. All’interno di questi

cloroplasti, non troviamo degli impilamenti che formano dei grana,

ma ci sono delle membrane tilacoidali singole: al microscopio

elettronico queste membrane appaiono ricche di corpuscoli

tondeggianti elettrondensi detti ficobilisomi. Questi corpuscoli sono

formati da associazioni di pigmenti-proteine diversi da quelli che abbiamo studiato nei cloroplasti delle piante superiori

(carotenoidi e clorofille): questi pigmenti sono detti ficobiliproteine e si dividono in

ficoeritrine, ficocianina e alloficocianina. Questi pigmenti compongono una struttura a

ventaglio e sono distribuiti dall’esterno all’interno nell’ordine in cui sono stati scritti in

quanto hanno diverse capacità di assorbire la luce; prendono contatto con un pigmento

terminale al centro della struttura, che si ancora nella membrana tilacoidale a livello del

fotosistema II che è coinvolto nel processo fotosintetico. In questo modo vengono

sfruttate anche altre lunghezze d’onda oltre a quelle coperte dalla clorofilla A.

Per quanto riguarda i cloroplasti delle alghe verdi, possono avere una forma molto variabile: in alcune alghe verdi unicellulari

ad esempio i cloroplasti sono nastriformi e con morfologia spiralata occupando l’intera cellula, mentre in casi hanno una

cosiddetta forma a coppa. In quest’ultimo caso il cloroplasto contiene una struttura detta pirenoide che funge da sito di

accumulo di enzima Rubisco e da sito di stratificazione dell’amido primario: per amido primario si intende l’amido

biosintetizzato a partire dal glucosio che si ottiene dal processo della fotosintesi. Questi cloroplasti sono comunque simili a

quelli delle piante verdi superiori in quanto sono organizzati in tilacoidi granali e in membrane tilacoidali intergranali.

Tra i plastidi troviamo poi i cromoplasti, strutture che contengono molti carotenoidi e sono in un certo modo responsabili delle

interazioni e della comunicazione tra organismi: insieme ad altri fattori sono infatti responsabili del colore e dell’odore dei fiori

e dei frutti maturi, attraendo così gli impollinatori e gli organismi che mangiando il frutto ne disperdono i semi. I cromoplasti

sono dei plastidi e quindi sono racchiusi da una membrana detta envelope uguale a quella dei cloroplasti; al loro interno non

sono però presenti tilacoidi, ma accumuli di carotenoidi che possono raggrupparsi in globuli (cromoplasto globulare), lamelle

(cromoplasto lamellare) o in strutture simili a membrane tilacoidali ma che non lo sono (cloroplasto membranoso). Questi

ultimi sono presenti ad esempio nel frutto del peperone rosso e i carotenoidi contenuti sono la luteina e la capsantina;

quest’ultima non va confusa con la capsaicina, che è un metabolita secondario che è caratteristico di certe specie di peperoni e

dei peperoncini e è la causa della piccantezza del loro frutto, entrando in contatto con i nostri recettori del dolore. Un altro

tipo di cromoplasto è quello cristallino, tipico del frutto di pomodoro e ricco di cristalli di licopene, un carotenoide importante

in quanto ha una forte azione antiossidante. Poiché questo carotenoide resiste al processo di produzione del concentrato di

pomodoro a partire dal frutto fresco, il concentrato è una buona fonte di carotenoidi antiossidanti; questi carotenoidi possono

essere assunti anche mangiando i frutti arancioni ma anche in vegetali come i broccoli. Anche il colore più o meno intenso del

tuorlo delle uova è dovuto alla diversa concentrazione di carotenoidi introdotti dall’animale con la dieta.

Un altro tipo di plastidio è l’amiloplasto, caratterizzato dalla presenza al suo interno di grandi

quantità di amido raggruppato in granuli; come tutti i plastidi è circondato da un envelope e

contiene la matrice stromatica ricca di DNA, ribosomi e proteine, ma non contiene pigmenti

né membrane tilacoidali. Ha la funzione di riserva di amido e per questo si trova

principalmente in tessuti di organi di riserva come in alcune foglie embrionali specializzate,

nelle radici e nei tuberi. I granuli di amido di diverse specie differiscono in forma e

dimensione; i granuli contenuti nel riso sono più piccoli rispetto agli altri alimenti e dunque

più facilmente attaccabili dagli enzimi intestinali: per questo il riso è consigliato nei casi di

problemi intestinali (dissenteria) e nello svezzamento dei neonati (farina di riso).

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Un altro tipo di plastidio è l’ezioplasto, il quale è presente nelle piante che non sono a

contatto con la luce come quelle caratteristiche del sottobosco; è rivestito dall’envelope e

contiene lo stroma come gli altri plastidi. Negli ezioplasti è presente un corpo paracristallino

chiamato corpo prolamellare, dal quale si dipartono delle membrane dette protilacoidi.

Nell'ezioplasto è assente la clorofilla ma è presente la protoclorofillide e ci sono carotenoidi.

In presenza di luce la protoclorofillide si trasforma in clorofillide, precursore della clorofilla a

e poi della clorofilla b, grazie all'enzima protoclorofillideossidoreduttasi; l’ezioplasto va

inoltre incontro a differenziamento e diventa un cloroplasto in un processo detto

fotoconversione. Nelle piante vascolari inferiori e in alcune Gimnosperme la formazione dei

cloroplasti (con la comparsa dei tilacoidi e la sintesi di clorofille) a partire da precursori detti proplastidi può avvenire sia alla

luce che al buio, mentre nelle Angiosperme in assenza di luce dai proplastidi si differenziano gli ezioplasti. Durante la

fotoconversione, il corpo prolamellare dell’ezioplasto si disgrega e si formano numerosi protilacoidi che evolveranno poi in

tilacoidi granali e intergranali; il plastidio in fase di conversione è detto eziocloroplasto. La quantità di luce influenza e regola

anche la quantità di membrane tilacoidali che si formano: nei cosiddetti cloroplasti di sole ci sono pochi tilacoidi granali e

spesso sono presenti gocciole lipidiche in quanto l’eccesso di luce causa stress che porta alla disgregazione delle membrane

tilacoidali, mentre nei cosiddetti cloroplasti d’ombra i grana sono detti giganti in quanto sono formati da molti tilacoidi granali.

I cloroplasti delle cellule verdi delle piante superiori derivano per differenziamento da plastidi precursori detti proplastidi, che

sono presenti nelle cellule totipotenti meristematiche. I proplastidi sono ricoperti da un envelope e non hanno un sistema di

membrane interno, contengono uno stroma ricco di DNA, RNA, ribosomi per la sintesi proteica e proteine; all’interno del

proplastidio possono essere presenti dei profili membranali che non hanno alcuna funzione, ma saranno i precursori delle

eventuali membrane del plastidio che si originerà alla fine del differenziamento. Il mantenimento costante del numero di

proplastidi nelle cellule meristematiche che sono in continua divisione avviene per divisione di questi organelli, che può

avvenire per fissione binaria o per partizione. Ad ogni divisione cellulare delle cellule totipotenti meristematiche contenenti

proplastidi, una cellula figlia rimane una cellula totipotente meristematica e l’altra cellula figlia può andare incontro a diversi

tipi di differenziamento, sviluppando a seconda del tipo di cellula cloroplasti, amiloplasti, cromoplasti; queste cellule si trovano

in determinati tessuti della pianta e ne consentono la crescita secondaria di fusto, radici, ma anche la crescita delle foglie. i

proplastidi si possono dividere per scissione binaria, con la formazione di una strozzatura a metà del plastidio che lo divide in

due proplastidi, oppure per partizione, con la formazione di un setti di divisione intero al plastidio.

La sintesi di tutti i plastidi parte da un plastidio iniziale, privo di membrane

interne. Da questo si possono differenziare i plastidi classici dei tessuti che

non compiono fotosintesi e cioè si possono ottenere amiloplasti, cromoplasti

e leucoplasti (plastidi che contengono metaboliti secondari proteici in forma

di cristalli con funzioni di riserva). Dal plastidio iniziale in condizioni di buio

nelle Angiosperme si differenziano (seguendo diverse tappe di

differenziamento) gli ezioplasti, che poi possono essere convertiti in

presenza di luce in cloroplasti secondo il processo di fotoconversione che

abbiamo visto. In presenza di luce (o anche in assenza nel caso delle

Gimnosperme) il plastidio iniziale può differenziarsi e, dopo diverse tappe,

dare origine ad un cloroplasto; questo può poi essere interconvertito in caso

di necessità in amiloplasti (leggermente diversi da quelli sintetizzati

direttamente dal plastidio iniziale in quanto rimangono presenti alcune

membrane) o in cromoplasti (ad esempio nei frutti che diventano maturi). Il

cloroplasto maturo può anche diventare un gerontoplasto, cioè un

cloroplasto invecchiato dove vengono degradate diverse membrane

tilacoidali e grana ed è un processo naturale che avviene ad esempio in

autunno con la senescenza fogliare.

La formazione della parete cellulare di una cellula inizia durate la profase della divisione mitotica: si forma la banda

preprofasica, cioè una struttura citoscheletrica posta nel luogo dove poi sorgerà la parete cellulare. Durante la telofase il

fragmoplasto (componente del citoscheletro) trasporta i diversi componenti della membrana prodotti dal reticolo

endoplasmatico e dall’apparato di Golgi verso la banda preprofasica e costituisce la cosiddetta piastra cellulare in formazione,

che poi darà origine alla parete vera e propria che divide le cellule figlie. In laboratorio le funzioni della parete cellulare

possono essere studiate eliminandola e formando delle cellule prive di parete dette protoplasti. Le funzioni della parete

cellulare sono quelle di conferire forza meccanica alla cellula, controllarne l’espansione e mantenerne la forma in quanto

questa è importante per la funzione della cellula stessa, controllare il trasporto intercellulare, fungere da protezione contro i

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microrganismi patogeni, produrre molecole segnale e fungere da sito di immagazzinamento di sostanze di riserva. Possiamo

distinguere tre tipi di parete: la lamella mediana si forma subito dopo la mitosi insieme alla piastra di separazione comune tra

le due cellule contigue e cementa le pareti primarie di queste ultime, la parete primaria è sottile, plastica e tipica delle cellule

in crescita, mentre la parete secondaria si trova all’interno della parete primaria, è formata da più strati ed è caratteristica di

alcuni tipi cellulari che hanno già terminato il loro processo di estensione. La parete cellulare è formata da vari componenti e

può essere distinta in due fasi: la fase fibrillare, formata da cellulosa, e la matrice, formata da pectine, emicellulose, proteine e

fenoli. La cellulosa è un omopolimero del D-glucopiranosio con

legami β-1,4; è una catena lineare non ramificata formata

dall’enzima cellulosa sintetasi, dove ogni residuo è ruotato di 180°

rispetto al precedente. Le catene di cellulosa si allineano tra loro

formando delle strutture altamente ordi