Riassunto esame Biologia vegetale e botanica farmaceutica, Prof. Pinna Christian, libro consigliato Botanica farmaceutica , Elena Maugini

Quanto sono importanti le piante?

Introduzione alla biologia vegetale

La biologia vegetale studia le piante, sia quelle di terra che quelle di acqua. Le piante sono importanti per il pianeta in quanto fanno la fotosintesi clorofilliana in cui si ha eliminazione di anidride carbonica e produzione di ossigeno, un processo utile per gli animali.

Inizialmente le piante erano solo di acqua e solo in seguito si sono adattate alla vita terrestre, sviluppando prima le radici che conferivano sostegno, ancoraggio al terreno e capacità di assorbimento e poi il fusto che conferiva sostegno alle foglie, ai fiori e ai frutti.

Metabolismo delle piante

Le piante sono compartimenti aperti "simili agli animali" in cui entrano sostanze nutrienti ed escono sostanze di scarto. Le sostanze nutrienti che le piante utilizzano per vivere sono l'ACQUA, i SALI MINERALI, l'AZOTO e l'ANIDRIDE CARBONICA mentre la sostanza di scarto è l'OSSIGENO. A differenza degli animali, che utilizzano sostanze organiche trasformate in energia attraverso la respirazione cellulare, le piante utilizzano direttamente sostanze inorganiche per ricavare glucosio (energia) per vivere: sono autotrofi.

È da notare che le piante prelevano l’anidride carbonica dall’aria e la fissano con la fotosintesi MA non riescono da sole a prelevare e fissare l’azoto mineralizzato presente nel terreno. Questo ruolo sarà svolto dai batteri azoto-fissatori legati alle radici delle piante che presentano l’enzima azoto-sintetasi che fissa l’azoto. I due vivono in simbiosi: il batterio cede sostanze inorganiche alla pianta (N) e la pianta cede sostanze organiche al batterio.

Piante insettivore e simbiosi

Le piante insettivore non assorbono in modo efficace l’azoto in quanto in certi terreni non ci sono alte percentuali di sostanze azotate e batteri N-fissatori: è proprio per questo che ricavano l’energia per vivere dagli insetti/piccoli anfibi/piccoli mammiferi che intrappolano tra le foglie. Anche altre piante possono non assorbire efficacemente l’azoto dal terreno e lo fanno assorbendoli da una pianta ospite creando una simbiosi.

Metaboliti delle piante

• Metaboliti primari: proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici per la crescita.
• Metaboliti secondari: tipici delle piante, sono circa 200 e variano in base alla pianta e alle stagioni per la difesa da animali/insetti fitofagi o per il richiamo degli insetti impollinatori o per inibire la germinazione di semi di piante di diversa specie.

Importanza delle piante

In molti campi della ricerca il regno vegetale è un’importante risorsa che viene ancora oggi sfruttata.

• Importanza economica: il legno è una delle materie più importanti dal punto di vista economico che utilizziamo per le costruzioni di tutti i tipi in quanto di facile lavorazione. Viene estratta la cellulosa utilizzata per creare la carta, i fazzoletti, le matite ecc.
• Importanza energetica: il legno, il carbone e il petrolio (si forma dalla decomposizione della sostanza organica con formazione di idrocarburi) sono ancora oggi utilizzati-animale e vegetale-come principale fonte energetica.
• Importanza alimentare: le piante completano la nostra dieta e utilizziamo praticamente ogni parte di una pianta.
• Importanza in medicina: l’uomo ha sempre utilizzato le piante per curarsi, alcuni esempi di materiali utilizzati in medicina originati da piante sono il latice (utilizzato per formare guanti in lattice e lacci emostatici, analgesici e antitussivi) e gli oli essenziali (utilizzati per guarire la tosse). Almeno il 50% dei preparati da banco venduti in farmacia contengono oppure sono dei derivati da molecole naturali (come per esempio benagol, lenitos, valeriana, aloe vera gel, arnigel, aspirina). Per la cura dei tumori, circa il 60% dei farmaci utilizzati sono derivati di origine vegetale per esempio provenienti dal Taxolo.
• Importanza nell’industria tessile: le fibre vegetali di cotone e di lino, i derivati dalla cellulosa quali viscosa, rayon e cellophane e i cordami e tessuti grezzi di agave, cannabis indica e corchorus vengono utilizzate per produrre indumenti. Inoltre, l'idea del velcro, composto da una striscia di tessuto peloso ed una di tessuto con uncini flessibili è ispirata di capolini di bardana che rimangono appiccicati agli indumenti.
• Importanza nello sport: le palle da golf con forma sferica e cosparse di piccoli avvallamenti sono state ideate sul modello dei granelli pollinici. Infatti, sappiamo che il flusso d’aria dietro un corpo in volo è più caotico se la superficie è liscia e ciò provoca il rallentamento, invece se la pallina non ha una superficie perfettamente liscia andrà più veloce.
• Importanza nella matematica: alcune piante, foglie e fiori hanno una disposizione particolare dei petali che segue una spirale logaritmica. Questo con lo scopo di ottimizzare spazio da usare per la fotosintesi. Le piante dispongono, inoltre, i singoli elementi in un certo modo (cavolo romano: formato da tanti coni a loro volta formati da altrettanti coni) e hanno fatto nascere una nuova branca della matematica, i frattali di Mandelbrot.
• Importanza nelle indagini forensi: assieme all’entomologia forense (animali), questa branca della botanica è d’aiuto nella ricerca di persone decedute anche da diversi anni in zone boschive o ricche di vegetazione in quanto è proprio in queste zone che si accumulano più sostanze azotate rilasciate dal corpo in decomposizione.

Danni causati dall'uomo sull'ambiente e sul patrimonio forestale

Negli anni passati, a partire dal XIX secolo, il patrimonio forestale di tutto il mondo è stato decimato per la costruzione di veicoli (navi), case, rotaie… è stato decimato a causa di disboscamenti e incendi che, insieme al processo di desertificazione, urbanizzazione e inquinamento hanno portato al concetto ora ben noto del cambiamento climatico, che si osserva sempre più frequentemente in vaste aree del pianeta.

È da notare che dal 2000 al 2012 in tutto il mondo si ha avuto una perdita netta di 150 milioni di ettari di foresta, quasi 5 volte la superficie dell’Italia.

Esempio di disboscamento: Indonesia per far posto alle coltivazioni di palma da olio, Colombia per far posto alle coltivazioni di coca che però hanno prodotto ingenti danni all’ambiente.

Esempio di urbanizzazione e cementificazione: in Italia 8m²/sec di terreno viene trasformato in terreno edificabile senza più lasciar spazio alle piante.

Esempio di inquinamento ambientale: in agricoltura vengono utilizzati erbicidi e pesticidi per eliminare piante infestanti e insetti nocivi che, però, nel frattempo attaccano anche i responsabili dell’impollinazione, non permettendo più questa importante attività alla base della nascita di nuove piante.

Possibili modi per risolvere il problema:

• Preferire metodi più biologici per scacciare insetti nocivi e piante infestanti.
• Ridurre i consumi di sostanze e derivati vegetali.
• Utilizzare fonti rinnovabili.
• Conservazione in situ (protezione delle specie nel loro ambiente naturale come nei parchi naturali) ed ex situ (protezione e preservazione del seme, che vien rimosso dall’ambiente naturale e conservato in collezioni per preservare nel tempo la biodiversità dei paesi come nelle associazioni banche dei semi).

Differenze tra cellula vegetale e animale

La cellula vegetale è più grande e complessa della cellula animale. Presenta le stesse strutture della cellula animale con in aggiunta alcune caratteristiche tipiche solo della cellula vegetale:

• Parete cellulare (da 1 a 3)
• Vacuoli
• Plastidi
• Plasmodesmi

Come negli organismi animali, anche le cellule vegetali si differenziano in base al compito che devono svolgere.

Membrana plasmatica

Divide l’esterno e l’interno della cellula, ossia ne definisce i confini, anche se all’esterno di questa è presente una parete cellulare che la protegge e le conferisce una struttura rigida. È selettivamente permeabile. È formata da un doppio strato di fosfolipidi con presenza di glicolipidi, glucidi e proteine. Non presenta colesterolo MA beta-sitosterolo (della classe dei fitosteroli) che ha la stessa funzione stabilizzante che ha nelle cellule animali.

Presenta dei canali chiamati plasmodesmi che permettono la connessione e lo scambio di informazioni tra due cellule adiacenti. Inoltre, sul lato esterno è presenta un complesso enzimatico, la cellulosa-sintetasi, che contribuisce alla sintesi della parete. Su tutta la superficie della membrana sono presenti acquaporine, proteine che permettono il passaggio di acqua.

Plasmodesmi

Sono porocanali che permettono alle cellule di comunicare rapidamente mediante il passaggio di segnali chimici da un citoplasma all’altro. I citoplasmi di due cellule vegetali adiacenti sono, infatti, in continuità. Il plasmodesma è quindi una porzione di membrana plasmatica estroflessa che ha la consueta struttura a doppio strato fosfolipidico. Si forma una sorta di “manicotto citoplasmatico” che è uno spazio pieno di liquido racchiuso dal plasmalemma ed è un'estensione del citosol. Al centro contiene una struttura tubulare del reticolo endoplasmatico che prende il nome di desmotubulo. I plasmodesmi sono molto importanti in quanto nelle piante molte cellule sono lontane dai tessuti vascolarizzati quindi una via che scambia informazioni direttamente da una cellula all’altra è molto utile. In ogni caso, due membrane plasmatiche delle cellule vegetali non sono mai strettamente adese tra di loro a causa della parete e le gap junctions presenti nelle cellule animali qui non potrebbero svolgere il loro ruolo.

Le vie di trasporto tra le cellule sono di due tipi:

1. Simplastica = intracellulare, attraverso i citoplasmi e quindi grazie ai plasmodesmi. È una via attiva e quindi più veloce.
2. Apoplastica = extracellulare, attraverso le pareti. È una via passiva e quindi più lenta.

Il ciclo cellulare

Come per le cellule animali, il ciclo cellulare è quella serie di eventi che conduce una cellula madre a dividersi in due cellule figlie. È composta da un’interfase e poi dalla mitosi.

Interfase

• G1 = per indurre la cellula vegetale ad entrare nella fase G1 occorre uno stimolo dato da fattori esterni come la presenza di acqua, luce, determinata temperatura, umidità e uno stimolo dato da fattori interni come il rilascio di un ormone. Ad alte concentrazioni di questi fattori, si attivano i complessi ciclina-Cdk che, a loro volta, attivano delle proteine bersaglio per l'innesco di specifici eventi. Viene, infatti, stimolata la sintesi proteica e la sintesi di nucleotidi, primer e enzimi necessari alla replicazione del DNA. Questo servirà per la successiva duplicazione di tutte le strutture della cellula per prepararsi alla mitosi. Le cellule vegetali hanno una durata della fase G1 diversa da cellula a cellula a seconda che siano meristemi primari (7-20h), ossia radici e germoglio, o meristemi secondari (50-150h). I meristemi sono le cellule che mantengono la capacità di dividersi per mitosi per originare nuove cellule (come le cellule staminali).
• S = l’entrata in S è regolata dall’attivazione dei complessi ciclina-Cdk nel punto di controllo tra la fase G1 e la fase S se e solo se sono stati prodotti abbastanza strumenti per la duplicazione del DNA e se si è raggiunto un “volume soglia”. Avviene, quindi, la replicazione che è simile a quella delle cellule animali.
• G2 = l’entrata in S è regolata dall’attivazione dei complessi ciclina-Cdk nel punto di controllo tra la fase S e la fase G2 se e solo se sono stati prodotti abbastanza proteine per la formazione del citoscheletro e di tutte le strutture della cellula. Il citoscheletro nella cellula vegetale svolge svariate funzioni ed è coinvolto in molti processi cellulari.

Formazioni e strutture cellulari

• Formazione della banda pre-profase = si forma alla fine della fase S e scompare in fase G2. Dà un’informazione alla cellula sul posizionamento del fuso mitotico, in quanto non esistono i centrioli nelle cellule vegetali.
• Formazione del fuso mitotico = si forma durante la metafase ed è formato da microtubuli costituiti da globuline α e β.
• Formazione del fragmoplasto = si forma alla fine della mitosi, prima della citodieresi, quando la cellula è in procinto di dividersi. Contribuisce alla formazione della parete cellulare tramite l’allineamento di microtubuli e vescicole dell’apparato di Golgi lungo la linea mediana della cellula che sta per dividersi.
• Movimento organelli cellulari
• Direzione tessitura della cellulosa di parete

Una caratteristica tipica delle cellule vegetali è che il ciclo può interrompersi in fase G2 e far entrare la cellula in fase G0, ossia la fase di quiescenza. A questo punto la cellula può, eventualmente, rientrare nel ciclo in fase G1 e ricominciare il ciclo creando cellule poliploidi. Questo processo è chiamato endomitosi. Questa caratteristica è tipica e molto frequente nelle piante in quanto si è scoperto che hanno più caratteristiche vantaggiose le piante poliploidi rispetto a quelle con corredo cromosomico “normale” diploide. Esistono poliploidi naturali come la fragola coltivata (che esiste in 2n, 6n e 8n), la valeriana (che esiste in 2n, 4n, 8n che differenziano le diverse azioni farmacologiche della valeriana) e la menta piperita. Il genere Triticum raggruppa tutte le specie di grano coltivate: monoccocum con 14 cromosomi (2n), durum o grano duro con 28 cromosomi (4n) e vulgare o grano tenero con 42 cromosomi (6n).

Si può forzare l’uscita dalla fase G2 e il rientro in G1 anche sperimentalmente. La colchicina interferisce con la formazione del fuso mitotico, quindi la ciclina viene degradata e la Cdk non attiverà il segnale per far entrare la cellula in M: la cellula esce dal ciclo e torna in fase G0.

Mitosi

L’entrata in mitosi è regolata dall’attivazione dei complessi ciclina-Cdk nel punto di controllo tra la fase G2 e la fase M se e solo se si sono formati i microtubuli in fase G2. La ciclina-Cdk attiverà proteine bersaglio che inducono la cellula a formare il fuso mitotico e entrare in fase M. Le fasi della mitosi sono identiche a quelle delle cellule animali.

Citodieresi

Prima che avvenga la citodieresi, nelle cellule vegetali avviene un passaggio ulteriore rispetto alle cellule animali: al termine della mitosi il fuso si disgrega e i microtubuli di cui era composto si organizzano a formare il fragmoplasto. Ai microtubuli si aggregano delle vescicole membranose prodotte dal Golgi, che vengono spinte da una proteina motrice lungo i microtubuli e si fondono insieme. Il contenuto delle vescicole (pectine e polisaccaridi) dà vita alla lamella mediana esterna alle due cellule neoformate che le divide e che costituirà la loro prima parete cellulare. In seguito, avverrà la vera e propria citodieresi con formazione di un anello contrattile, costituito da filamenti di actina e miosina del citoscheletro. Questo divide completamente le due cellule figlie uguali. Durante la citodieresi gli organelli cellulari NON si ripartiscono in modo UGUALE nelle due cellule figlie, la citodieresi non genera due cellule completamente uguali: quasi sempre una è più piccola dell’altra e contiene meno organelli dell’altra (a differenza delle cellule animali). Nelle cellule vegetali in divisione si crea, quindi, una polarità che può far originare da una cellula due cellule in cui una può contenere tutti gli organelli e l’altra nessuno. Questa polarità non si osserva solo a livello della cellula vegetale ma anche a livello tissutale (radici ipogee, foglie e rami epigei).

La riproduzione

La riproduzione delle piante è chiamata propagazione vegetativa o agamica. Avviene, appunto, per via “vegetativa” ossia senza l'intervento degli organi sessuali e permette di produrre piantine uguali alla pianta madre. Il nuovo individuo formato è, quindi, un clone e mantiene il suo genotipo nelle successive generazioni: la riproduzione agamica genera piante tutte uguali geneticamente. Permette la moltiplicazione di un individuo in seguito a:

1. Divisione del corpo vegetativo
2. Distacco di una sua parte (propagazione per frammentazione) = la porzione si può staccare naturalmente o mediante prelievo e quindi artificialmente. Le tecniche artificiali sono talea, innesto e margotta.
3. Formazione di propaguli o gemme

Questo metodo di riproduzione, a volte, è l'unico per le piante che non fioriscono o che vivono in ambienti aridi. In molte piante la riproduzione vegetativa è presente contemporaneamente a quella sessuata.

Vantaggi e svantaggi della riproduzione agamica

Plastidi

Caratteristiche generali

I plastidi sono una classe di organelli caratteristici della cellula vegetale. Sono costituiti da 2 membrane: una esterna uguale a quella degli eucarioti e una interna uguale a quella dei procarioti. All’interno delle membrane si trova lo stroma o matrice. Contengono DNA circolare in 4-20 copie, RNA e ribosomi 70s dai quali sono in grado di auto-prodursi le proteine di cui necessitano, indipendentemente dall'informazione genetica del genoma nucleare: sono organelli semi-autonomi.

Inizialmente, appena dopo la citodieresi, le cellule figlie contengono pro-plastidi, ossia plastidi indifferenziati. Poi, solo durante la differenziazione cellulare anche i pro-plastidi si differenziano ed aumentano la loro dimensione. Si possono differenziare in base a fattori genetici del tessuto a cui appartengono e condizioni ambientali come i fattori ambientali e luce.