Botanica - Appunti

BOTANICA

Le piante sono importanti per la nostra vita perché ci forniscono cibo, materie prime, medicinali,

metaboliti secondari, sono produttori primati negli ecosistemi e di ossigeno che serve per la

respirazione. Sono capaci di trasformare l’energia luminosa in energia chimica, fotosintesi.

Le piante sono molto importanti per un biologo: ad esempio i meccanismi sono comuni a diversi

organismi viventi, i geni e genomi sono analoghi in piante e animali, ecologia e conservazione,

adattamento, agricoltura moderna, biotecnologie vegetali, OGM…

L’ecosistema è l’unità funzionale dell’ecologia. Gli organismi viventi sono sempre in stretta

dipendenza reciproca e costituiscono nel loro insieme una comunità biologica o biocenosi. Ogni

biocenosi occupa una certa area detta biotopo. Tendenzialmente le piante sono sessili, occupando

una determinata area.

Tutti gli ecosistemi per mantenersi sfruttano l’energia solare che viene catturata dagli organismi

fotosintetici (piante e batteri) e trasformata in energia chimica. Questi organismi sono detti

produttori primari. Essi vengono mangiati dagli erbivori, consumatori primari, che a loro volta

saranno mangiati dai carnivori, consumatori secondari. L’insieme di queste relazioni è definito

catena alimentare. In base alle relazioni trofiche ciascun gruppo di organismi occupa un livello

trofico costituendo una piramide ecologica.

La catena trofica è una condizione di equilibrio necessario che permette ai diversi organismi di

sfruttare differenti forme di energia. In base al tipo di fonte energetica gli organismi viventi

possono essere distinti in: autotrofi e eterotrofi.

Gli autotrofi sono organismi un grado di sintetizzare, a partire da sostanze inorganiche semplici, i

composti organici che forniscono l’energia necessaria allo svolgimento delle reazioni metaboliche.

Si suddividono in:

• Fotoautotrofi: sintetizzano i composti organici usando come fonte di energia la luce solare

la luce solare, e attuano un processo definito fotosintesi. Tra questi organismi troviamo

alghe, piante, alcuni batteri.

• Chemioautotrofi: sintetizzano i composti organici utilizzando come energia quella che

deriva dall’ossidazione di composti inorganici. Tra questi vi sono i batteri nitrificanti

ferrobatteri, i metanobatteri e gli idrogenobatteri.

Gli eterotrofi sono organismi non in grado di sintetizzare i composti organici da precursori

inorganici e che deve procurarseli nutrendosi di altri organismi. In particolare, nei processi di

respirazione cellulare, i composti organici vengono ossidati e permettono la produzione di energia

che verrà poi utilizzata nelle reazioni metaboliche. Sono eterotrofi molti batteri, i protozoi, i funghi

e gli animali. Occupano il ruolo di consumatori. I tipi di nutrizione sono per assorbimento (alcuni

batteri e funghi) o per ingestione (animali).

1. CELLULA VEGETALE

La cellula si trova in tutti gli organismi viventi. Quindi la cellula è l’unità fondamentale della vita. La

struttura base è costante sia negli animali sia nei vegetali. Dal punto di vista funzionale è in grado

di assumere sostanza dall’esterno, elaborare per ottenere molecole e spostarle al suo interno per

produrre energia…

Gli organismi possono essere unicellulari e pluricellulari. Le varie reazioni chimico-biologiche

avvengono in esse. Le cellule si originano da altre cellule in quanto si duplica il materiale genetico

che viene trasferito poi alle cellule figlie.

Le caratteristiche comuni a tutte le cellule sono la presenza di una membrana esterna, membrana

plasmatica, che separa l’ambiente cellulare da quello esterno e la presenza del materiale genetico

che governa tutte le attività della cellula e la rende in grado di riprodursi.

Le cellule procarioti caratterizzano gli organismi più

semplici (batteri, cianobatteri) ed è nata 3,5 miliardi di anni

fa. Ha delle piccole dimensioni tra 1 e 10 µm. Gli organuli

non sono delimitati da una membrana, quindi manca una

compartimentazione interna. È una cellula indipendente

grazie alla presenza di una membrana plasmatica

circondata da una parete cellulare (funzione protettiva)

composta da peptidoglucano. Quindi non si ha la vera e propria specializzazione della cellula. Non

è composta da un involucro nucleare ma l’unica molecola di cromosoma circolare risiede in una

regione detta nucleoide. Non è legato ad istoni (proteine basiche) ed è poco organizzato.

Le cellule eucarioti comparirono 2 miliardi di anni fa (teoria

endosimbiontica seriale di Margulis). Ha una grandezza

maggiore di 10-100 µm. normalmente le cellule eucarioti si

aggregano a formare organismi pluricellulari. Strutturalmente

si ha la presenza degli organelli: oltre a una membrana esterna

si ha anche una interna, ciò vuol dire nel corso del tempo la

cellula doveva fare qualcosa che non poteva avvenire nel

citosol, ma nella membrana. Il DNA è lineare strettamente

associato a particolari proteine (istoni) e forma numerose strutture dette cromosomi (cromatina

se separati). I cromosomi sono contenuti nel nucleo circondato da una doppia membrane,

l’involucro nucleare, si ha una compartimentazione. La parete cellulare è presente solo in alcuni

organismi (piante e funghi), non è omologa a quella dei procarioti.

Esistono delle differenze tra le due anche a livello del citoplasma. Nell’eucariote ad esempio

troviamo un citoscheletro che è un’impalcatura di filamenti proteici che mantengono la forma

della cellula e trasportano le sostanze, mentre è assente nelle procarioti. I processi metabolici

avvengono negli organelli delle cellule eucarioti che sono strutture compartimentate (mitocondri e

cloroplasti), mentre nella procariote non si hanno organelli perciò le reazioni metaboliche sono

svolte da enzimi presenti nelle invaginazioni della membrana plasmatica (cianobatteri). I ribosomi

sono in ridotte dimensioni nelle procarioti, mentre nelle eucarioti sono più complessi di RNA e

proteine deputati alla sintesi proteica.

Ciò che non andava nelle cellule procarioti era dato dall’evoluzione e

dalla competitività, dato che avevano peculiarità limitanti come il fatto

di dover stare in acqua. Per conquistare le terre emerse le cellule

avevano bisogno di più energia e ATP per fare qualsiasi cosa. Quindi

c’era bisogna di più zone per catturare la luce. Probabilmente in questo

modo si sarebbero sviluppati le prime cellule fotosintetiche attraverso

delle invaginazioni, andando via via a distinguere il citoplasma in parti e

membrane. Queste membrane assorbivano la luce più facilmente in

organelli che avevano la possibilità di spostarsi liberamente. Sembra

che poi questo procariote sia stato inglobato ed abbia dato vita al

cloroplasto. Quindi per aumentare l’efficienza fotosintetica era

importante aumentare la quantità di membrane. Degli organismi procarioti che hanno sviluppato

l’autotrofia per fotosintesi. Presentano invaginazioni della membrana plasmatica dette tilacoidi

all’interno delle quali è presente clorofilla e altri pigmenti.

Le cellule vegetali e animali hanno delle

strutture peculiari ed altre differenti. Quindi la

cellula vegetale rispetto a quella animale è

caratterizzata da plastidi, vacuolo e parete

vegetale. Esternamente è descritta da una parete

che è semirigida, mentre nucleo e citoplasma

insieme sono il protoplasto. Il citoplasma è

delimitato da una membrana plasmatica e al suo

interno è presente un liquido chiamato citosol. Il

citoplasma potrebbe avere una dimensione

molto limitata in base alla grandezza del vacuolo

che può occupare dal 50% al 90% della cellula. La

cellula vegetale contiene organelli, sistemi di

membrane, strutture non membranosi

(ribosomi), nucleo e uno o più vacuoli delimitati

dal tonoplasto.

La membrana cellulare è formata da un doppio strato

fosfolipidico con incluse proteine globulari ed ha uno

spessore di 7 nm. È definita da uno strato polare e uno

apolare che permettono l’interazione e scambi con

l’esterno. Si crea come un gioco polare-apolare-polare di

chi può passare e chi no per creare dei potenziali sia per

proteggersi. Quindi la membrana non è una struttura passiva, ma è selettiva e semipermeabile

(media i trasporti attraverso il protoplasto). Coordina la sintesi e l’assemblaggio di microfibrille di

cellulosa che costituiranno poi la parete cellulare. Riceve a trasmette segnali deputati al controllo

della crescita e della differenziazione cellulare.

Il nucleo non cambia molto da quello della cellula animale in quanto

contiene il DNA, organizzato in cromosomi e legato a istoni e proteine

strutturali. E’ delimitato da un doppia membrana (involucro nucleare).

L’involucro nucleare presenta numerosi pori per lo scambio di materiale tra

nucleo e citoplasma. Le sue funzioni principali sono quelle di controllare lo svolgimento delle

attività cellulari attraverso la regolazione della sintesi proteica e di racchiudere l’informazione

genetica della cellula e la trasmette alle cellule figlie (tramite la divisione cellulare).

I mitocondri variano da 100 a 1000 in una cellula. La struttura è delimitata

da una doppia membrana, la più interna ripiegata a formare delle creste

mitocondriali che aumentano la superficie attiva dell’organulo in grado di

compiere respirazione cellulare per produrre energia. All’interno è

presente una matrice liquida che contiene proteine, DNA, RNA, piccoli

ribosomi e alcuni soluti. Sono organelli semiautoimmuni con DNA circolare

non compartimentato. Sono in continuo movimento e si dispongono in

base alle richieste della cellula.

Nelle cellule eucariote abbiamo il reticolo endoplasmatico che è un sistema di membrane con

funzione di trasporto per le sostanze all’interno della cellula. La sua organizzazione e complessità

varia in base al tipo di cellula, alla sua attività e allo stadio di sviluppo. Il RER, r. e. rugoso, è ricco di

ribosomi ed è importante per produrre proteine che vanno poi al golgi al cui interno termineranno

la loro costruzione. Il REL, r. e. liscio, presenta tubuli e manca di ribosomi, è sede della sintesi dei

fosfolipidi e glicoproteine necessarie per la costruzione della membrana. I due tipi di RE coesistono

e sono interconnessi all’interno della cellula.

L’apparato di Golgi è un sistema di cisterne membranose appiattite e impilate le une sulle altre. Si

identificano tre elementi: le vescicole transfer (veicolano nel comparto), le cisterne e le vescicole

di secrezione (porta verso la membrana e poi all’esterno come ad esempio profumi o gusti).

Rielabora e modifica le molecole provenienti da altri organuli (es. RE) all’interno delle cisterne.

Seleziona ed esporta i nuovi prodotti cellulari (lipidi, glicolipidi e glicoproteine) verso la loro sede

corretta tramite le vescicole di secrezione.

I ribosomi sono piccole particelle (20nm) costituite da RNA e proteine. Sono costituiti da due

subunità prodotte dal nucleo e trasportate ed assemblate nel citoplasma. Sono abbondanti nel

citosol in forma libera o legati al RER. Sono i siti in cui gli amminoacidi si legano tra loro a formare

le proteine.

La riproduzione cellulare è data da una divisione dalla cellula madre a due cellule figlie identiche

che contengono circa la metà del citoplasma materno e la replica esatta del materiale genetico.

Negli organismi procarioti unicellulari: aumenta il numero di individui della popolazione, mentre

negli organismi eucarioti pluricellulari: accresce l’organismo e ripara i tessuti danneggiati. La

divisione cellulare nei procarioti é un processo relativamente semplice che inizia con la

duplicazione dell’unico cromosoma e si conclude con l’introflessione della parete e della

membrana cellulare (che divide le 2 cellule), si definisce scissione binaria.

La riproduzione cellulare negli eucarioti è un processo più complicato perché sono organismi

pluricellulari con un DNA quantitativamente maggiore ed è organizzato in molecole lineari

contenute in numerosi cromosomi distinti. Ad esempio nelle piante serve molta regolazione e

messaggi che diano le informazioni ai germogli, sul dove crescere e quando. Il ciclo cellulare è la

serie di eventi che porta alla formazione di due nuove cellule figlie. La prima è una fase

preparatoria alla divisione cellulare detta interfase, in cui ad esempio si ha la duplicazione dei

cromosomi (fase G1, S, G2). La mitosi successivamente è la divisione nucleare, seguita dalla

divisione citoplasmatica o citodieresi. Queste ultime due fasi, o fase M, completano la divisione

cellulare. Negli animali è rarissimo che si blocchino prima della fase M, mentre la cellula vegetale

può uscire in qualunque momento dal ciclo; G1, G1 quiescente, G2, G2 quiescente o G0. Questo

accade perché le piante in quanto sessili sono preda degli eventi, quindi lo bloccano a seconda

della loro comodità in risposta all’ambiente esterno.

La mitosi è un processo diviso in quattro fasi. La Profase

fa la condensazione da cromatina a cromatidi fratelli e

scomparsa del nucleo. La Metafase indica la formazione

del fuso mitotico e disposizione equatoriale dei

cromosomi. L’Anafase definisce la separazione dei

cromatidi fratelli e migrazione dei cromosomi figli verso i

poli opposti della cellula. La Telofase completa la

separazione delle 2 serie di cromosomi, riforma

l’involucro nucleare, scompare il fuso mitotico e si ritorna

alla cromatina. Mentre nelle cellule vegetali delle piante

adulte si hanno delle peculiarità, poiché si

dice che avviene la divisione cellulare per

fragmoplasto. Nella fase G1 (prima della

duplicazione del DNA) il nucleo cerca di

raggiungere il centro della cellula. Si attacca a briglie citoplasmatiche che alla fine condensano a

formare una lamina trasversale di citoplasma che taglia la cellula secondo il piano in cui essa si

dividerà. Questa lamina ricca di microtubuli e filamenti di actina è detta Fragmosoma. Subito dopo

sotto la membrana plasmatica si ottiene una banda di microtubuli disposti ad anello intorno al

nucleo esattamente a livello del piano equatoriale dove si troverà il fuso mitotico. Prepara quindi il

piano del fuso mitotico alla divisione, portandolo al centro. Questa banda che compare nella fase

G2 prima quindi della mitosi è detta Banda Preprofasica.

La banda preprofasica scompare alla mitosi e nel nucleo si forma il fuso mitotico. Terminata la

mitosi e durante la citodieresi dei microtubuli si allineano in corrispondenza della piastra

metafasica ed iniziano a catturare vescicole del Golgi che si allungano cercando di raggiungere la

membrana plasmatica, così dividendo i due nuclei. Questa struttura è detta Fragmoplasto. Ecco

quindi che questa piastra cellulare si fonderà con la membrana plasmatica divenendo parte di essa

e separando così la cellula in 2 nuove cellule figlie.

2. PLASTIDI E LA FOTOSINTESI

Sono organuli cellule vegetali caratteristici delle cellule vegetali

(mancano nei funghi e procarioti), variano per tipo e funzione.

Sono semiautonomi dato che sono in grado di riprodursi per

divisione e di sintetizzare alcune proteine di cui necessitano. Il

termine semi è dato dall’evoluzione del DNA dei plastidi che col

tempo si è modificato, perciò i plastidi ottengo le proteine sia

dalla sintesi proteica esterna che dalla sintesi nucleare. I plastidi

hanno una doppia membrana esterna. Al loro interno si

differenziano un sistema di membrane dette Tilacoidi che sono

immersi in una sostanza fondamentale o Stroma che contiene

DNA, RNA, ribosomi. Il DNA è strutturalmente simile a quello

batterico, circolare e non legato a istoni. I plastidi svolgono diverse funzioni, essendo coinvolti nei

processi di fotosintesi e di accumulo di sostanze.

Mitocondri e cloroplasti si sono probabilmente originati da una cellula procariote. Ci sono diverse

prove a favore di questa teoria ad esempio la presenza di un proprio DNA, molecola piccola

circolare e non organizzata dentro un nucleo. Sono caratterizzati dai ribosomi 70S, come i

procarioti, e non 80S come gli eucarioti. Sono in grado di sintetizzare proteine a partire dal proprio

DNA. Si dividono per scissione binaria, tipica dei procarioti e hanno una doppia membrana una

delle quali deriva dal procariote originario, mentre non possiedono microtubuli.

L’origine degli organismi eucariotici è spiegata dalla teoria endosimbiontica seriale di Lynn

Margulis. Il progenitore procariote perde la parete cellulare e acquista la capacità di inglobare un

altro procariote, introflettendo la membrana plasmatica, e formando un complesso sistema di

membrane. Fagocita un batterio capace di respirare conservandolo come ospite (endosimbiosi) in

una vescicola citoplasmatica. Diventerà un mitocondrio. Successivamente fagocita un

cianobatterio fotosintetico conservandolo come ospite (endosimbiosi) in una vescicola

citoplasmatica che sarebbe diventato un plastidio. Quindi in primis si è sviluppata la cella eucariote

animale e poi vegetale. Il primo organismo completamente autonomo sono state le alghe.

I plastidi sono classificati in base ai pigmenti contenuti e la funzione svolta.

I proplastidi sono i precursori dei plastidi differenziati,

rappresentandone lo stadio giovanile. Da essi si sviluppano i

plastidi adulti: cloroplasti, ezioplasti, cromoplasti, leucoplasti

e amiloplasti. I proplastidi sono presenti nelle cellule

giovanili o meristematiche di germogli e radici. Sono

organelli totipotenti ciò vuol dire che hanno la capacità di

evolversi o in un cloroplasto, o cromoplasto.. Possono

differenziarsi in ogni tipo di plastidio e inoltre hanno la

capacità di tornare indietro nello stadio ancestrale di proplastide per poi differenziarsi in un altro

derivato. I proplastidi sono molto piccoli (0,5-1 µm) con un DNA circolare e pochi ribosomi. Sono

incolori quindi non hanno la clorofilla ma la protoclorofilla. Anche i tilacoidi, si