Biologia vegetale

Cellula eucariotica vegetale

Tutti gli esseri viventi possiedono una caratteristica comune: quella di essere formati da elementi microscopici, detti cellule.

Concetto di superficie relativa (superficie/volume)

Un organismo è in grado di vivere in quanto riesce ad avere scambi sufficienti con l’ambiente circostante e che questo non può avvenire altro che attraverso la superficie esterna. Gli organismi unicellulari realizzano un sufficiente rapporto superficie/volume mantenendo piccole le dimensioni o allontanandosi dalla forma sferica. Quando l’evoluzione è giunta alla costruzione di organismi di una certa dimensione, il semplice aumento di volume di ogni singola cellula ha portato ad un’alterazione del rapporto ottimale superficie/volume. A causa di un volume troppo grande ed una superficie troppo piccola, gli scambi erano insufficienti, quindi la natura ha modificato la forma sferica della cellula attraverso delle rientranze, sporgenze, allungandosi ed estendendosi su due dimensioni in modo da aumentare la superficie lasciando costante il volume.

Cellula eucariotica

- Teoria endosimbiontica: ipotizza che le cellule eucariotiche si siano originate da un grosso batterio saprofita fermentante, che avrebbe ospitato al suo interno, come simbionti, piccoli batteri (respiranti o fotosintetizzanti) divenuti poi mitocondri e cloroplasti. In questo modo si spiega perché questi organuli presentino un proprio DNA di tipo batterico ed una sintesi proteica, anch’essa, di tipo batterico che utilizza dei ribosomi più piccoli. Inoltre, questi due organuli sono delimitati da due membrane: quella esterna di tipo eucariotico e quella interna di tipo procariotico.

Cellula eucariotica vegetale

Le cellule vegetali hanno forma e dimensioni molto varie. Se sono isolate (individui unicellulari) possono essere sferiche, ovoidali e allungate; se invece sono aggregate ad altre cellule possono essere poliedriche, globose, ovoidali, cilindriche, filiformi, tubulose, stellate, ramose. Ognuna di queste forme è determinata dalle modalità di genesi della cellula e soprattutto dalla funzione a cui questa è deputata. Le loro dimensioni sono superiori a quelle delle cellule animali e variano tra i 10 e 40 μm di diametro. Una cellula vegetale è formata da una parete cellulare esterna che contiene il protoplasto, a sua volta delimitato dalla membrana plasmatica che contiene il citoplasma.

Organuli della cellula eucariotica sono la membrana plasmatica, il citoplasma, il nucleo, il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi, i mitocondri, i lisosomi, i perossisomi e il citoscheletro; inoltre, la cellula vegetale ha degli organuli specifici: la parete cellulare, i plastidi e i vacuoli.

• Membrana plasmatica: ha la funzione di presiedere a tutti gli scambi interno-esterno e viceversa, che la cellula ha con l’ambiente circostante. È costituita da un doppio strato fosfolipidico che presenta i poli idrofobi (le lunghe catene di acidi grassi) internamente e i poli idrofili (gruppo fosfato) esternamente a contatto con il mezzo acquoso presente internamente ed esternamente alla membrana stessa. All’interno di questo doppio strato sono inserite numerose proteine anch’esse, presentano una parte idrofoba disposta nella parte interna della membrana e una parte idrofila che affaccia su una o entrambe le facce della membrana.
• Citoplasma: struttura fibrillare costituita per la maggior parte da proteine ad attività enzimatica che collegano fra loro tutti gli organuli citoplasmatici. Nel citoplasma vengono svolte funzioni molto importanti come la glicolisi e la sintesi degli acidi grassi.
• Nucleo: il nucleo ha forma rotondeggiante, nella cellula vegetale generalmente occupa una posizione periferica in quanto quella centrale è occupata da un grosso vacuolo. È delimitato da una doppia membrana ricca di pori che permettono lo scambio di molecole tra l’esterno e l’interno e viceversa. Il nucleo racchiude lunghissime molecole di DNA alle quali sono legate numerose proteine (cromosomi). Una sua funzione è quella di sintetizzare i ribosomi a livello dei nucleoli, zone ricche di DNA e trasferirli nel citoplasma attraverso i pori nucleari.
• Reticolo endoplasmatico: complesso sistema tridimensionale di membrane che formano un sistema di cisterne (cavità chiuse) appiattite e tubuli. Esistono due tipi di reticolo endoplasmatico: il reticolo rugoso, al quale sono associati numerosi ribosomi e il reticolo liscio, al quale non sono associati ribosomi. Il primo si occupa della sintesi proteica, il secondo è implicato nella sintesi e nell’assemblaggio di sostanze lipidiche.
• Apparato di Golgi (dictosoma): è un organulo con l’aspetto di sacchi membranosi, appiattiti, impilati in piccoli gruppi, dai quali si distaccano un numero più o meno grande di vescicole. È implicato nell’assemblaggio di molecole complesse e nel loro trasferimento in cui sono necessari alla cellula e contribuiscono allo smistamento delle sostanze proteiche, dopo averle legate a gruppi glicosidici (glicoproteine).
• Ribosomi: appaiono come tanti punti scuri, associati al reticolo endoplasmatico oppure liberi nel citoplasma. Sono costituiti da due subunità di differenti dimensioni. Si occupano fondamentalmente della sintesi delle proteine, in particolare nell’assemblaggio di diversi amminoacidi.
• Mitocondri: organuli abbondanti nel citoplasma, almeno nelle cellule ad elevata attività metabolica. Presentano una forma ovoidale ed è delimitato da una doppia membrana: la membrana interna si invagina formando caratteristiche protuberanze, dette creste. Il mitocondrio ha un suo DNA e suoi ribosomi che gli permettono di produrre un certo numero di proteine, ma non tutte sono sufficienti per la respirazione, infatti un certo numero gli sono fornite dal citoplasma. In questi organuli avvengono le fasi a maggiore resa energetica della respirazione cellulare, sono i principali produttori di ATP.
• Lisosomi e perossisomi: sono organuli molto piccoli delimitati da una sola membrana. I lisosomi contengono enzimi capaci di idrolizzare la maggior parte delle macromolecole biologiche, i quali vengono utilizzati in alcuni processi digestivi; i perossisomi sono in genere associati a cisterne del reticolo endoplasmatico, catalizzano varie reazioni ossidative alle quali non è associata la produzione di ATP.
• Citoscheletro: un insieme di filamenti proteici che hanno la funzione di dare sostegno e forma alla cellula e di determinare i movimenti all’interno del citoplasma. Esistono tre tipi principali: microtubuli, costituiti da una proteina detta tubulina, sono implicati nella divisione cellulare in quanto formano il fuso mitodico, ma sono anche i costituenti delle ciglia e dei flagelli; microfilamenti, fibre proteiche di actina che formano una fitta trama alla periferia della cellula; filamenti intermedi, che si addensano intorno al nucleo.

Plastidi

I plastidi sono organelli semiautonomi circondati da una doppia membrana e presentano somiglianze con i batteri. Si originano dai proplastidi quando il tessuto meristematico si differenzia in tessuto adulto. Nelle piante verdi svolgono la fotosintesi e sono i cloroplasti; negli organi di riserva svolgono una funzione di riserva e sono i leucoplasti; l’ultimo tipo sono i cromoplasti. I proplastidi sono plastidi embrionali che si trovano nelle cellule meristematiche (durante la divisione cellulare) delle radici e del germoglio. Prima di ogni divisione cellulare deve avvenire una duplicazione dei proplastidi attraverso un meccanismo di scissione binaria. Durante questa fase la luce condiziona la differenziazione del proplastidio: in presenza di luce nei germogli si forma il cloroplasto; nelle radici alla luce si differenziano solo i leucoplasti. Se un proplastidio si trova in un organo dove dovrebbero formarsi dei cloroplasti, ma non è presente luce, si sviluppano dei proplastidi particolari detti ezioplasti, in questo caso le piante appaiono bianche; se verranno successivamente esposti alla luce si trasformeranno in cloroplasti.

• Cloroplasti: nelle piante terrestri sono piccoli, numerosi, di forma ellissoidale delimitati da una doppia membrana, detta involucro del cloroplasto. All’interno presentano numerose membrane a forma di sacchi appiattiti, detti tilacoidi; solitamente i tilacoidi sono impilati gli uni sugli altri costituendo i grana. La parte del cloroplasto non occupata dai tilacoidi costituisce lo stroma, una matrice amorfa che contiene DNA e ribosomi di tipo batterico e granuli d’amido. È in grado di costruire parte degli enzimi necessari al loro funzionamento per esempio il rubulosio difosfato carbossilasi (enzima chiave per l’organizzazione del C): costituito da 16 subunità 8 grandi e 8 piccole, quelle grandi è codificata dal cloroplasto.
• Cromoplasti: sono plastidi dalla forma molto simile a quella dei cloroplasti contenenti carotenoidi responsabili del colore arancione/rosso di alcuni fiori e radici. Possono derivare dai leucoplasti oppure si possono differenziare dai cloroplasti già esistenti in seguito alla degradazione della clorofilla e dei tilacoidi.
• Leucoplasti e amiloplasti: sono plastidi che mancano di un elaborato sistema di membrane interne e di pigmenti. Contengono riserve di diverso tipo: amido, proteine e grassi ma l’amido è quello più comune e viene accumulato temporaneamente: durante la notte si accumula nello stroma dei cloroplasti amido primario, prodotto diretto della fotosintesi (fase notturna) e viene polimerizzato. Durante il giorno viene depolimerizzato a glucosio e usato come materiale energetico per la formazione di nuove parti della pianta e per alimentare le reazioni energetiche (es. respirazione cellulare) oppure viene di nuovo polimerizzato e accumulato nei leucoplasti come riserva energetica, diventa amido secondario.

Vacuolo

Nella cellula vegetale tipica, un unico grande vacuolo occupa la maggior parte del volume citoplasmatico. Esso è delimitato da una membrana lipoproteica, detta tonoplasto, e contiene a suo interno acqua nella quale sono disciolte sostanze di varia natura, sia organiche che inorganiche, che nell’insieme prendono il nome di succo cellulare. Nelle cellule embrionali i vacuoli sono molto piccoli e inesistenti. Il grande vacuolo centrale si forma nel corso della differenziazione, grazie al confluire di piccole vescicole che derivano dall’apparato di Golgi o dal reticolo endoplasmatico.

Funzioni del vacuolo

• La presenza del vacuolo centrale comporta uno spostamento in periferia del citoplasma e degli organuli in esso contenuti. In particolare, i cloroplasti vengono addossati alla parete cellulare, una posizione che facilita gli scambi gassosi e di conseguenza la fotosintesi;
• Il vacuolo grazie alla concentrazione delle sostanze che contiene, risulta osmoticamente attivo, cioè esercita un richiamo per l’acqua dall’esterno all’interno della cellula mantenendola sempre in turgore;
• La presenza del vacuolo permette alla cellula di aumentare raggiungere volumi considerevoli senza che venga alterato il rapporto ottimale superficie/volume che garantisce un buono scambio con l’esterno, tramite la membrana plasmatica;
• L’interazione vacuolo parete conferisce resistenza meccanica alle piante erbacee, scarsamente dotate di tessuto di sostegno.
• In base alle sostanze contenute nel vacuolo, esso può assumere una funzione di riserva energetica, funzione di accumulo di sostanze superflue o dannose e funzione digestiva o lisosomica.
• I vacuoli, inoltre, sono sito di accumulo dei prodotti del metabolismo secondario, coinvolti nei processi di interazione pianta-pianta, pianta-ambiente e pianta-animale, che svolgono un ruolo importante nei processi di difesa.

Componenti del succo cellulare

• Sali inorganici: si trovano in soluzione, dunque essendo dissociati sarebbe più corretto parlare di ioni dissociati (es. K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, HCO₃^-, H₂PO₄^-);
• Acidi organici: la loro presenza è causa del sapore acido di molte piante (es. acido ossalico, acido malico, acido tartarico e acido citrico). Gli acidi si possono trovare anche sotto forma di sali come per esempio l’ossalato di calcio che essendo insolubile in acqua precipita originando le druse (cristalli bipiramidali, nei quali su ogni faccia della piramide si depositano altri cristalli e l’insieme presenta un aspetto irregolare irto di punte), i rafidi (cristalli che si presentano sotto forma di prismi estremamente allungati e riuniti in fasci irregolari), gli stiloidi (cristalli prismatici) e la sabbia cristallina (minuscoli cristalli);
• Zuccheri: sono tra le più frequenti sostanze disciolte nel succo cellulare. Monosaccaridi come glucosio e fruttosio, disaccaridi come saccarosio.
• Proteine: come granuli di aleurone, derivano dai vacuoli nei quali, durante lo sviluppo del seme, vanno continuamente a depositarsi.