Riassunto esame Botanica generale, Prof. Ciniglia Claudia, libro consigliato La Biologia delle piante di Raven, Evert, Eichhorn

Botanica

La botanica è lo studio degli organismi vegetali, frutto di lunghe trasformazioni ed evoluzioni. Il mondo vegetale è estremamente ampio. Secondo le prime classificazioni, gli organismi vegetali erano autotrofi, immobili e insensibili agli ambienti esterni: oggi sappiamo che questi organismi sono molto più complessi. Grazie alla neurobiologia si è potuto comprendere come i vegetali siano in grado di percepire uno stimolo esterno e trasformarlo in una data reazione chimica.

Tipicamente gli organismi vegetali sono autotrofi, quindi ricavano energia attraverso la fotosintesi, tuttavia esistono anche organismi eterotrofi, che sono in grado di ricavare energia tramite la degradazione di molecole organiche, e di conseguenza organismi mixotrofi, cioè sia autotrofi che eterotrofi in base alle condizioni in cui si trovano: ne sono un esempio le piante carnivore o insettivore, o anche alcune alghe unicellulari che si nutrono di sostanza inorganica, quindi di molecole relativamente semplici già decomposte; gli organismi animali sono tipicamente eterotrofi.

La motilità degli organismi vegetali è limitata a gameti, spore (unità di accrescimento delle piante non a seme) e semi (unità di dispersione e accrescimento delle piante a seme), ma esistono anche organismi senza un ancoraggio al substrato, come il fitoplancton. Mentre gli animali hanno un accrescimento limitato e uno sviluppo di superfici interne specializzate, i vegetali hanno un accrescimento indefinito, inteso come continuo sviluppo di superfici esterne come foglie e radici.

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“Non è un’esagerazione dire che la punta delle radici, avendo il potere di dirigere i movimenti delle parti adiacenti, agisce come il cervello di un animale inferiore; il cervello essendo situato nella parte anteriore del corpo riceve impressioni degli organi di senso e dirige diversi movimenti della radice.” C. Darwin

Il potere del movimento delle piante. La radice è una struttura dei vegetali che in seguito alla nascita di un’esigenza d’acqua della pianta, si accresce per rispondere a questa richiesta.

Gli organismi viventi che vengono tradizionalmente studiati dalla botanica appartengono in realtà a gruppi molto diversi tra loro: alghe azzurre (procariotiche), altri tipi di alghe come quelle brune, tutte le piante terrestri, i licheni che sono di natura simbiontica e alcuni batteri, infatti i cianobatteri sono i più semplici organismi studiati dai botanici. Anche i funghi vengono studiati in botanica, pur non essendo fotosintetici, in quanto hanno delle particolari caratteristiche come l’ancoraggio al substrato o la sessilità.

Classificazione dei viventi

Tutti gli esseri viventi sono classificati secondo un sistema tassonomico: sono molteplici i modelli sistematici proposti con l’avanzare dell’evoluzione dei sistemi di classificazione, tuttavia ad oggi il modello utilizzato è quello dell’italiano Ruggiero, del 2015, in cui i viventi sono classificati in 2 imperi, Prokarya ed Eukarya, e 7 regni.

• Prokarya: i procarioti sono le prime forme di vita ad essersi formate sulla terra, a partire da 4 miliardi di anni fa, quando si annovera la comparsa di LUCA (Leatest Universal Common Ancestor), ovvero il primo organismo vivente, progenitore comune di tutti i procarioti, che hanno dominato sul pianeta per 2 miliardi e mezzo circa. Annoveriamo tra i procarioti i Cianobatteri, organismi fondamentali per l’evoluzione della vita sulla terra e protagonisti di eventi di endosimbiosi. Fanno parte di questo impero gli archea e i batteri.
• Eukarya: intorno a 2 miliardi e mezzo di anni fa, a seguito di un evento endosimbiontico tra un archea e un batterio, è nato LECA (Latest Eucariotic Common Ancestor), progenitore comune di tutti gli eucarioti. Successivamente compaiono organismi fotosintetici e riproduzione sessuata. Fanno parte di questo impero i protozoi (unicellulari), i chromisti (organismi fotosintetici con doppio flagello e 4 membrane plastidiali), i fungi, le plante e gli animali.

Botanica 2

In generale, la classificazione degli individui si basa su una suddivisione via via sempre più specifica che serve ad attribuire una determinata posizione ad ogni singolo individuo: questa classificazione avviene per tassonomia: un taxon è, infatti, un raggruppamento di organismi distinguibili morfologicamente e geneticamente dagli altri. La scala di classificazione usata è: regno, filone, classe, ordine, famiglia, genere, specie.

Una delle più importanti classificazioni è quella di Linneo, che iniziò a classificare gli organismi vegetali in base alla presenza o meno del fiore, e l’attuale sistema di classificazione affonda le sue fondamenta proprio nel Sistema Naturae di Linneo (opera in cui tratta la suddetta classificazione).

Etnobotanica

Con questo termine ci riferiamo ad un sapere popolare empirico ma preciso che pensa la pianta in rapporto all’uomo. Molti principi attivi di cui ci serviamo derivano proprio dalle piante e ne sono un esempio l’aspirina. Il principio attivo dell’aspirina è l’acido acetilsalicilico (così chiamato perché contenuto nella corteccia del salice) che ha proprietà anti-infiammatorie e anti-diuretiche. Un ulteriore esempio è l'alga spirulina, che è una particolare alga che viene essiccata e assunta sotto forma di integratore, con oltre il 60% di proteine, antiossidanti, vitamine b12.

Le biomolecole

Carboidrati

I carboidrati sono le molecole biologiche maggiormente presenti nei viventi. Tra questi ci sono carboidrati funzionali e carboidrati strutturali.

• Monosaccaridi: sono le molecole più semplici perché formati da un singolo monomero, e possono essere triosi, pentosi ed esosi a seconda di quanti atomi di carbonio li compongono (gliceraldeide, diidrossiacetone, arabinosio, xilosio, ribosio, glucosio, galattosio, mannosio, fruttosio). Non possono essere scissi per idrolisi in quanto la rottura dei legami provocherebbe la degradazione dell’intera molecola. Tra questi, glucosio e fruttosio sono isomeri, cioè hanno la stessa formula molecolare (C6H12O6) ma formule di struttura differenti. Il glucosio si può ritrovare in due forme: α-glucosio e β-glucosio: nel primo caso il gruppo -OH si trova al di sotto della struttura ad anello, mentre nella forma β si trova sopra.
• Disaccaridi: invece, sono molecole composte da due monosaccaridi. Tra i disaccaridi il saccarosio assume un ruolo fondamentale nel trasporto degli zuccheri nelle piante, infatti è il principale costituente della linfa elaborata da cui le piante si nutrono e assorbono energia. Esso è composto da α-glucosio e β-fruttosio, legati da un legame 1,2 (il carbonio 1 del glucosio si lega al carbonio 2 del fruttosio). Il cellobiosio, invece, è un altro disaccaride che si ripete nella cellulosa, formato due monomeri di β-glucosio, legati da un legame β-1,4.
• Polisaccaridi: sono composti i carboidrati più complessi costituiti da lunghe catene di monosaccaridi. Vengono classificati in omopolisaccaridi (quando formati da monomeri uguali) ed eteropolisaccaridi (quando formati da diversi tipi di monomeri). L’amido è un omopolisaccaride che viene immagazzinato nelle cellule vegetali in forma di granuli che vengono demoliti per idrolisi, per fornire alla pianta energia e materie prime per la costruzione di altre molecole. L’amido è composto per il 20% da amilosio (catene lineari di glucosio con legami α-1,4 glicosidici) e per l’80% di amilopectina (catene di glucosio con legami α-1,4, le quali presentano delle ramificazioni che si stabiliscono tramite legami α-1,6 glicosidici). L’amido è poco solubile in acqua, pertanto per degradare questa molecola serve un preciso corredo enzimatico: l’alfa-amilasi scinde i legami α-1,4; la beta-amilasi scinde i legami -1,4 ma rimuovendo due unità di glucosio insieme, cioè rimuovendo un’unità di maltosio per volta; l’amilo-alfa-1,6-glucosidasi che scinde i legami α-1,6. L’amido si accumula nella cellula vegetale, prevalentemente, in organelli citoplasmatici detti amiloplasti. La cellulosa è un omopolisaccaride, che costituisce la parete cellulare deponendosi sulla superficie della membrana plasmatica formando una serie di filamenti. Anch’essa è composta da monomeri di glucosio, ma in forma β, differenza tanto sottile quanto importante, perché questa forma non consente l’accesso agli enzimi. Data questa composizione, i legami tra le unità di glucosio saranno β-1,4 e il disaccaride fondamentale è il cellobiosio.
• Emicellulose: sono invece degli eteropolisaccaridi, che pertanto non presentano solo glucosio come la cellulosa, ma anche altre unità. Nelle principali emicellulose, gli xilani presentano una catena principale costituita da xilosio (legami β-1,4), ramificata con altri zuccheri (legami 1,2); gli xiloglucani presentano una catena principale costituita da glucosio (legami β-1,4) con ramificazioni di xilosio (legami α-1,6).

Lipidi

I lipidi, a differenza dei carboidrati, sono composti organici idrofobi, cioè insolubili in acqua, non sono polimeri e sono classificati in grassi e steroidi. Tra i grassi ritroviamo i trigliceridi, grandi molecole lipidiche costituite da una molecola glicerolo e tre acidi grassi. I grassi possono essere saturi o insaturi: quelli saturi possono impacchettarsi strettamente, mentre gli insaturi no.

Gli steroidi, invece, sono lipidi formati da uno scheletro carbonioso costituito da quattro anelli legati tra loro. Uno steroide comune è il colesterolo, ma tipici degli organismi vegetali sono i fitosteroli, prevalentemente localizzati nelle membrane cellulari con funzione di stabilizzazione del bilayer. Il sitosterolo, pur avendo una struttura molto simile al colesterolo, è in grado di abbassare il tasso di colesterolo ematico.

Proteine

Le proteine sono polimeri di amminoacidi legati tra di loro (esistono 20 amminoacidi in natura e le loro combinazioni generano moltissime proteine) e sono macromolecole molto complesse. Sono fondamentali perché svolgono numerose funzioni sia come proteine in senso stretto che come enzimi; inoltre possono fungere anche da pigmenti accessori utili all’aumento dello spettro luminoso della fotosintesi (ficobiliproteine).

Le proteine sono composte da amminoacidi. In natura ce ne sono tantissimi, ma quelli che prendono parte alla formazione delle proteine sono 20, e si legano l’uno all’altro tramite legami peptidici. A seconda della lunghezza della catena polipeptidica, le proteine si possono disporre in quattro differenti strutture:

• Struttura primaria: chiamata anche conformazione nativa delle proteine, è data dall’ordinata sistemazione degli amminoacidi nella catena polipeptidica. Questa disposizione, però, non risulta essere vantaggiosa nel caso di lunghe catene.
• Struttura secondaria: si possono stabilire due tipologie di strutture secondarie: l’α-elica e il β-foglietto. La prima consiste in una struttura spiraliforme, mentre il foglietto è una struttura in cui il polipeptide si ripiega, ma può andarsi a configurare anche con più di un polipeptide.
• Struttura terziaria: conformazione definitiva della proteina, che è un ulteriore ripiegamento di una struttura secondaria.
• Struttura quaternaria: si configura una struttura di questo tipo, quando si associano tra di loro più polipeptidi; ne è un esempio la RuBisCO, che è il complesso enzimatico fondamentale per i vegetali, ed è composto da 16 subunità, quindi 16 catene polipeptidiche, di cui 8 ad elevato peso molecolare (rbcL, dove “L” sta per large subunit) e 8 con un peso molecolare più basso (rbcS, dove “S” sta per small subunit). In alcuni organismi, entrambe le subunità sono sintetizzate dal plastidio tramite il DNA plastidiale, in altri le subunità maggiori sono sintetizzate dal plastidio, e quelle minori dal nucleo.

Le sostanze nutritive possono depositarsi all’interno della cellula vegetale, in particolari tessuti detti parenchimi, e ne esistono di diverse tipologie. Il parenchima di riserva amilifero ad esempio, è deputato alla riserva di granuli di amido ed è ritrovabile principalmente nei cereali. I parenchimi di riserva proteici, sono tessuti in cui le proteine si accumulano sotto forma di goccioline (i granuli di aleurone ne sono un esempio). Ancora, i parenchimi di riserva lipidici, formano goccioline lipidiche di diverse dimensioni.

La cellula vegetale

La cellula è l’unità più piccola che caratterizza in ogni essere vivente, ritrovabile come singola unità, associata ad altre cellule, o in organismi sviluppati.

L’unicellularità è caratteristica di tutti quegli organismi in cui la singola cellula deve svolgere tutte le funzioni autonomamente.

La multicellularità consiste in un consorzio di singoli individui, e non parte di un tessuto; le cellule appartenenti a quel consorzio partecipano alla vita di altri consorzi multicellulari, svolgendo diverse funzioni.

La pluricellularità consiste nell’organizzazione delle cellule volta a formare dei tessuti, il ché comporta che tutte quelle cellule svolgano la medesima funzione.

In un ecosistema ci sono tanti elementi differenti che cooperano per svolgere delle particolari funzioni, tuttavia il singolo elemento che prende parte all’ecosistema ha poca importanza se considerato nella sua individualità: questo concetto è alla base del principio delle proprietà emergenti. Una proprietà emergente può comparire quando un numero di entità semplici operano in un ambiente, dando origine a comportamenti più complessi in quanto collettività.

Tutti gli esseri viventi sono formati da un certo numero di cellule, unità strutturali e funzionali degli organismi viventi. Le cellule nascono, si nutrono, crescono, si riproducono e muoiono. Le cellule vegetali hanno un diametro generalmente compreso tra i 20 e i 30 μm, quindi leggermente più grandi di quelle animali (10-20 μm). Negli studi di tessuti vegetali, oltre ai classici microscopi che consentono l’osservazione di strutture citologiche, spesso si utilizza anche lo stereomicroscopio, che non consente un ingrandimento molto spinto, ma permette una visione tridimensionale eliminando l’effetto appiattimento tipico degli altri microscopi: lo stereomicroscopio consente ad esempio di apprezzare la pelosità e le nervature di una foglia. Anche il microscopio a scansione consente una visione tridimensionale, ma con un ingrandimento molto maggiore. Tramite la microscopia a trasmissione, invece, si può osservare l’ultrastruttura di una cellula.

Lo studio di una cellula o di un tessuto può avvenire previo sezionamento dell’elemento da analizzare: la sezione può essere trasversale (cioè eseguita in maniera perpendicolare all’asse principale della struttura da osservare), o longitudinale (cioè eseguita lungo l’asse principale della struttura da osservare). La sezione longitudinale, però, può essere anche radiale (che avviene lungo il raggio della struttura come ad esempio un tronco) o tangenziale (che avviene in maniera tangente rispetto alla struttura analizzata).

Tipologie cellulari

Le tipologie cellulari esistenti sono due: cellula procariotica e cellula eucariotica.

I procarioti hanno avuto successo sul pianeta per lunghissimo tempo, e le ragioni sono molteplici. Anzitutto i batteri hanno una rapidità di divisione, circa 30 minuti per duplicazione (in 11 ore si raggiunge il numero della popolazione mondiale umana), poi hanno la capacità di adattarsi agli ambienti più disparati.

La cellula eucariotica ha invece tutt’altre caratteristiche. Sia la cellula animale che quella vegetale hanno un nucleo, ribosomi, mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, citoscheletro e una membrana plasmatica, tuttavia vi sono alcune importanti differenze:

La parete cellulare

La parete cellulare è uno degli elementi più caratteristici che contraddistingue la cellula vegetale. La parete circonda il protoplasto esternamente alla membrana plasmatica, ha uno spessore compreso tra 0,1 e 100 μm ed ha una struttura rigida, ma anche dinamica, il ché potrebbe sembrare un ossimoro, tuttavia queste caratteristiche consentono l’accrescimento della cellula per permetterne il differenziamento e la duplicazione, evitando che questa si rompa. Caratterizza la trama dei tessuti (le cellule parenchimatiche hanno una parete sottile, mentre le cellule dei tessuti di sostegno hanno pareti più spesse). La componente più presente nella parete cellulare è la cellulosa, i cui polimeri formano delle microfibrille cementate da emicellulosa a formare sottili filamenti che possono avvolgersi gli uni agli altri come fili di una corda detti macrofibrille. Le microfibrille sono assemblaggi di cellulosa catalizzati da un complesso enzimatico detto celluloso sintasi o “complesso a rosetta” per l’organizzazione delle sue subunità. I monomeri di glucosio sono assorbiti dagli enzimi presenti sulla faccia interna della membrana plasmatica, proiettati all’esterno.