Botanica generale con laboratorio

Botanica

Interessi e importanza dello studio

Organismi fotosintetici: sia procarioti che eucarioti (cianobatteri, alghe, piante terrestri, funghi), altri batteri. L'importanza dello studio degli organismi fotosintetici risiede nel loro ruolo cruciale di produzione di ossigeno e substrati organici (come carboidrati) da substrati inorganici (CO₂ + H₂O) e luce solare. Inoltre, sono una fonte di cibo, fibre tessili, fonti industriali, prodotti farmaceutici e compongono gran parte degli ecosistemi.

Biocombustibili

Cosa sono i biocombustibili? Derivano da fonti rinnovabili; si differenziano in biocombustibili di prima generazione come biodiesel e bioetanolo che derivano dalla fermentazione di amido di mais o canna da zucchero, e biocombustibili di seconda generazione che derivano da biomasse di cellulosa o alghe.

Settori della botanica

• Botanica generale: anatomia, metabolismo, genomica, fisiologia, livelli cellulari
• Botanica sistematica: biodiversità degli organismi a diversi livelli
• Botanica applicata
• Fisiologia delle piante
• Botanica farmaceutica: proprietà farmaceutiche delle piante

Principali teorie della botanica

La lezione di Rapa Nui

La biodiversità è un valore intrinseco da conservare indipendentemente dalla sua importanza per l'uomo. Sviluppo sostenibile significa non danneggiare gli ecosistemi nonostante si sfruttino le risorse naturali.

L'ipotesi Gaia (Loverlock, 1988)

La Terra è un super organismo con alcune proprietà di un organismo "normale", infatti ha la capacità di reagire agli stimoli esterni della biosfera come l'aumento della CO₂. Si avrà allora la formazione di un sistema sinergico e lineare quindi autoregolante.

Fitosociologia

Elenco specie presenti in una determinata zona; branca della fitogeografia che consente di utilizzare la comunità vegetale come indicatore di ambiente.

I limiti dello sviluppo (Club di Roma)

Report con modelli matematici per descrivere la popolazione e gli ecosistemi, usati per il loro disfacimento che portano alla loro distruzione, con interesse per la biodiversità e la sua conservazione: organismi fondamentali sia per il presente che per il futuro.

Danni alla biodiversità

• Perdita di variabilità genetica: per perdita di popolazione o riduzione dimensionale
• Perdita di biodiversità di specie: perdita della biodiversità dagli ecosistemi; specie classificate come "a rischio", "vulnerabili", "estinte" o "estinte in natura".

Specie endemica: specie che si trova solo in una certa area anche per via dell'isolamento geografico.

• Madagascar: Catharauthus roseus - effetto citotossico per via degli alcaloidi che portano a morte cellulare e tumori
• Perù: Cinchona rubra - rimedio contro la malaria (plasmidi dai protozoi, non è attaccabile con semplici antibiotici infatti si usa clorochina cioè chinino)

Entrambi estinti, perdita grave anche per l'uomo.

Principi di biologia della conservazione

• Biodiversità delle specie e delle biocenosi deve essere preservata (biofilia)
• Estinzione prevenuta dall'essere umano
• Proprietà organismi viventi possono essere pienamente espresse solo negli ecosistemi naturali in cui si sono selezionati ed evoluti (mantenere biodiversità)
• L'evoluzione deve continuare

Chimica cellulare – Citologia della cellula

Idrocarburi

(carbonio + idrogeno) Non sono miscibili in acqua, legami C-C o C=C, insaturi CH₄ metano (il più semplice) CH₃–CH₃ etano CH₃–CH₂–CH₃ propano. Questi composti si trovano come parte di cutina, cera e suberina nelle piante e sono sostanze idrofobiche.

Gruppi funzionali

• -CH₃ metile (idrofobico)
• -COOH carbossilico (acido)
• -COH aldeidico
• -NH₂ gruppo amminico (proteine, nucleotidi)
• -OH alcolico (carboidrati, alcol)
• -HPO₄ fosfato (acidi nucleici, molecola di ATP, proteine)
• -SH sulfidrile (amminoacidi, ponti disolfuro proteine)
• Benzenico/aromatico

Alcol

Formato aggiungendo un gruppo funzionale alcolico agli idrocarburi il suffisso -olo. Es. Metanolo CH₃OH, Etanolo CH₃CH₂OH, Glicerolo o glicerina: CH₂OH-CHOH-CH₂OH.

Acqua

Nella cellula è importante per differenziare l'ambiente idrofilico e quello idrofobo, soprattutto per le membrane; è contenuta nel vacuolo dove si ha un pH differente.

Carboidrati

Fondamentali per la vita perché hanno funzione strutturale ed energetica:

• Contengono C, H ed O.
• Prodotti dalla fotosintesi a partire da sostanze inorganiche. Es. Gliceraldeide (glicerolo [alcol] + gruppo aldeidico) Es. Glucosio (esoso, prodotto da fotosintesi) Alfa-D-Glucosio Es. Fruttosio (monosaccaride) Es. Ribosio (monosaccaride) Es. Galattosio (monosaccaride)

Saccarosio (disaccaride) = fruttosio + glucosio. Lattosio (disaccaride) = galattosio + glucosio.

Polisaccaridi

• Amido/glicogeno: polimero di glucosio con legami Alfa 1-4 e Alfa 1-6
• Cellulosa: polimero di glucosio con legami beta 1-4, molecola lineare (i legami a idrogeno formano delle fibre e unità ripetute)
• Callosio: polimero di glucosio con legami beta 1-3
• Amilopectina: legami Alfa 1-4 e Alfa 1-6

Amminoacidi

NH₂: gruppo amminico è basico; COOH: gruppo carbossilico è acido; R: conferisce la caratteristica basica, acida, polare, non polare, idrofila, idrofoba.

Nucleotidi

• Purine: Adenina, Guanina (due anelli)
• Piramidine: Citosina, Timina, Uracile (tre anelli)

Nel DNA si trovano C, T, A, G; nell'RNA si trovano A, G, U, C.

Lipidi

Formati da:

• Parte idrocarburica: acido grasso saturo (doppi legami) oppure insaturo (legami semplici)
• Gruppo carbossilico (-COOH)

Trigliceride (idrofobico): reazione di condensazione porta a legami covalenti con un acido grasso libero che si unisce con due code idrofobe.

Fosfolipidi

Scheletro di glicerina + due molecole di acido grasso + un gruppo fosfato. Si trovano nelle membrane biologiche che sono formate da due strati di fosfolipidi: testa idrofila a contatto con l'acqua (ambiente extracellulare e lumen della cellula) e coda idrofoba (zona idrofobica a contatto tra di loro).

Origine della vita

2009: "la Vita di Lazcano" è un concetto empirico le cui definizioni e caratteristiche dipendono dai quadri storici, distinzione tra selezione naturale e modifiche derivanti da evoluzione chimico-fisica negli elementi e sistemi non biologici.

Vita = materiale genetico + evoluzione darwiniana "sistema chimico autosufficiente" capace di selezione naturale.

Per Schrödinger: vita riduce o mantiene l'entropia, alimentando negantropia. Per Loverlock: riduzione locale dell'entropia. In generale: esseri viventi = sistemi capaci di riproduzione e reazione agli stimoli.

Oparin & Haldane (1920): comparsa molecole organiche in atmosfera riducente (NH₃, CH₄, H₂O, assenza di O₂) con "brodo primordiale" e fulmini, danno origine a membrane e catalizzatori.

Esperimento di Miller (1953): NH₃ + CH₄ + H₂ + O₂ a 80°C, in ambiente chiuso e scariche elettriche porta alla formazione di amminoacidi, RNA corti, primi acidi grassi.

Mondo a RNA

L'RNA ha una funzione sia informativa che catalitica: IPOTESI prima molecola autoreplicante. I residui del mondo a RNA sono i ribosomi e l'RNA con funzione catalitica.

La Terra dovrebbe avere 4,5 miliardi di anni; alcuni fossili sono datati 3,85 miliardi di anni quindi la vita è iniziata circa 3,8 miliardi di anni fa.

LUCA: ultimo antenato comune ancestrale

• Ultimo organismo da cui provengono tutti gli organismi attualmente esistenti.
• Sarebbe esistito tra i 3,5 e 3,8 miliardi di anni fa tra il periodo Archeozoico e Prozoico.
• Il suo DNA sarebbe stato costituito da quattro nucleotidi: codice genetico composto da codoni di tre nucleotidi (64 combinazioni = 20 aminoacidi).
• DNA a doppia elica e DNA polimerasi.
• RNA con quattro nucleotidi e uracile al posto della timina.
• Membrana cellulare lipidica e a doppio strato.

Discendenti: Eu-batteri e Archea (da cui derivano anche gli eucarioti).

La cellula

Dottrina o Teoria cellulare (1838)

Tutti gli organismi eucarioti sono composti da cellule (più piccole unità indipendenti dalla vita). "Omnis cellula e cellula" (Rudolf Virchow): la cellula può avere origine solo da una cellula preesistente.

Procarioti

• Unicellulari: semplici, Archea e Bacteria
• DNA circolare
• Ribosomi 70S
• No membrane, no organelli; solo flagelli semplici
• Ricombinazione genica (no riproduzione sessuale)

Classificazione

• BATTERI
  • Eu-batteri
  • Mixobatteri
  • Spirochaete
  • Rickettsie
  • Bedsonia
  • PPLO (forme L)
• ARCHIBATTERI
• CIANOBATTERI (Alghe azzurre)

Forme

• Cocchi
• Bacilli
• Vibrioni
• Spirilli
• Diplococchi
• Streptococchi
• Stafilococchi
• Sarcine

Rivestimenti superficiali

Membrana plasmatica, parete cellulare, capsula, flagelli e pili, citoplasma, corpo nucleare.

Riproduzione

Scissione binaria, riproduzione vegetativa: da ogni cellula se ne ottengono due con lo stesso patrimonio genetico della cellula di partenza, duplicazione del DNA e formazione di una parete divisoria fra le due cellule che si origina per un processo di invaginazione che inizia alla periferia della cellula, da entrambi i lati, e procede via via verso il centro.

Non esiste riproduzione sessuale, tuttavia si può avere variabilità genetica per fenomeni di ricombinazione genica: trasferimento genico orizzontale (trasformazione, coniugazione, trasduzione). Si può avere anche propagazione vegetativa per formazione di spore ed endospore.

Archea

• Lipidi diversi nella membrana rispetto agli altri procarioti: catene laterali isoprenoidi con legami etere
• RNA polimerasi e ribosomi come eu-batteri
• Introni simili agli eucarioti
• Metabolismi particolari

Divisione lignaggi

• Metanogeni: il loro metabolismo genera metano; habitat anaerobico con materiale organico in decomposizione
• Hlofili: habitat ad alta concentrazione salina
• Termofili: habitat ad alta temperatura e acidità

Analisi sequenze di DNA e rDNA: eterogeneità gruppi molto antichi.

Eubacteria

• GRAM+:
  • Actynomycetes
  • Clostrids
  • Lactobacillus
  • Staphyilo e Streptococci
  • Mycoplasma
• GRAM-:
  • Purple Bacteria - pseudomonads
  • Spirochetes (Treponema, Leptospyra)
  • Group Bacteroides-Cytophaga
  • Cyanobacteria
  • Green Sulphur bacteria
  • Nonsulphur Green bacteria
  • Sulphur reductive bacteria and myxobacteria
  • Radioresistant Micrococci
• Group Planctomyces (wall without peptidoglycan)

Metabolismo batterico

• Eterotrofi: ricavano sostanze organiche da organismi
• Saprofiti: ricavano sostanze organiche da organismi morti
• Parassiti: si nutrono a carico di altri organismi soprattutto Eucarioti (Protisti, Animali, Funghi, Piante)
• Simbionti: instaurano una simbiosi con Eucarioti (per lo più Piante o Protisti): es. Rhizobium
• Autotrofi: ricavano sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche semplice termine contrapposto a eterotrofo

Organismo

• Fotoautotrofi: fonte di energia luce e fonte di carbonio CO₂ atmosferica (cianobatteri)
• Fotoeterotrofi: fonte di energia luce e fonte di carbonio composti organici (solforodobatteri)
• Chemioautotrofi: fonte di energia l'ossidazione di sostanze inorganiche e fonte di carbonio CO₂ atmosferica (batteri nitrificanti del terreno)
• Chemioeterotrofi: fonte di energia ossidazione di sostanze organiche e fonte di carbonio composti organici (batteri patogeni)

Batteri fotosintetici (Eu-batteri)

Cianobatteri, piante e alghe. Non usano acqua per cui non producono ossigeno, il donatore di elettroni sarà la CO₂ (ossigeno libero è tossico).

Cianobatteri: centro di reazione con clorofilla a, altri pigmenti ficobiline. Proclorofille (picoplacton): clorofilla a e b, ficobilina.

Green sulphur Bacteria: un centro di reazione con batterioclorofilla a, c, d, e; anaerobi obbligati.

Purple sulphur bacteria: un centro di reazione con batterioclorofilla a e b, anaerobi.

Purple non sulphur bacteria: anaerobi facoltativi.

Pigmenti e fotosintesi

Clorofilla usata per la fotosintesi ossigenica: formata da [4 anelli a 5 atomi di cui uno di azoto (gruppo tetrapirrolico) che lega uno ione magnesio] così da catturare la luce; questo fa sì che si produce energia + catena (coda) idrocarburica.

Pigmenti accessori aumentano la capacità di raccogliere la luce per poter produrre più energia con la fotosintesi: nelle alghe marine il pigmento che possiedono determina la profondità a cui l'alga può trovarsi.

Pigmenti accessori

• Ficoeritrina: pigmento rosso, profondità elevate (+100 metri)
• Ficocianina: pigmento blu/azzurro/verde

Purple Bacteria

• GRAM-: 30 species; azoto-fissazione in anaerobiosi; fotoautotrofi/fotoeterotrofi; donatori di elettroni: composti organici. La CO₂ viene fissata col ciclo di Calvin.
• Purple sulphur bacteria: anaerobi stretti, fotoautotrofi con H₂S come donatore di elettroni. Fotofosforilazione non ciclica.
• Non sulphur purple bacteria: donatori di elettroni: composti organici come alcoli, acidi grassi e chetoacidi, reazione fotosintetica.

Green sulphur Bacteria

• Solfobatteri verdi: fotoautotrofi e anaerobi stretti; donatore di elettroni H₂S. CO₂ + 2H₂S → (CH₂O) + H₂O + 2S
• Batteri verdi non sulfurei: alcuni aerobi facoltativi quindi eterotrofi; donatore di elettroni composti organici. CO₂ + 2HA → (CH₂O) + H₂O + 2A (formula fotosintesi Van Niel)

Fotosintesi

Ciclica: un solo centro di reazione (una molecola di clorofilla); elettroni a basso livello energetico arrivano allo stesso fotosistema di partenza attraverso una catena di trasporto. È la fotosintesi primitiva che si trova nei cianobatteri, con l’ATP come intermediario che diminuisce il livello energetico degli elettroni; non produce ossigeno e non ha bisogno di acqua.

Non ciclica: due centri di reazione con picchi di assorbimento diversi; gli elettroni lisano l’acqua che diventa il donatore di elettroni. Si trova nei batteri a H₂S e produce grandi quantità di energia sottoforma di NADPH, molecola riducente per la CO₂.

Cianobatteri

Sono i primi organismi a realizzare la fotosintesi ossigenica tramite due centri di reazione che permettono agli elettroni di raggiungere un'energia sufficiente a scindere l'acqua che viene usata come donatore di elettroni, con formazione di ossigeno. Questo permise ai cianobatteri di arricchire l’atmosfera primordiale di ossigeno, inoltre sono capaci di scindere l’acqua, presente in enormi quantità sulla Terra (per questo tali organismi si trovano in tanti habitat).

I cianobatteri si sono sviluppati da batteri che producevano H₂S infatti all’occorrenza possono effettuare una fotosintesi anossigenica ed una respirazione anaerobica utilizzando zolfo elementare e sintetizzare sostanze organiche azotate attraverso la fissazione biologica dell'azoto atmosferico. L'azoto molecolare (N₂) non può essere utilizzato direttamente dai sistemi biologici degli eucarioti e per questo motivo diversi cianobatteri e batteri non fotosintetici, aerobi e anaerobi, possono fissare l'azoto atmosferico attraverso il complesso enzimatico chiamato “nitrogenasi” composto da azoferridossina e molibdoferridossina. La fissazione dell'azoto consiste nella riduzione dell'azoto molecolare ad azoto ammonico (NH₄⁺) e nella trasformazione di questo in radicale amminico per poterlo incorporare nelle proteine; il riducente è il NADPH e la fonte energetica è ATP, ed entrambe provengono dalle reazioni alla luce della fotosintesi e dall'ossidazione degli zuccheri fotoassimilati. Importante: nitrogenasi non deve venire a contatto con ossigeno altrimenti diventa inattiva. Questo processo avviene all’interno delle eterocisti che possono fare solo la fotosintesi ciclica perché è quella senza l’utilizzo dell’ossigeno.

Citologia

Sono organismi unicellulari di dimensioni esigue (0,2-5 micron), solitari o in colonie con forme diverse soprattutto filamentose o chiamate tricomi; le cellule sono tondeggianti o cilindriche e prive di organelli cellulari e flagelli.

Parete cellulare

Gram-positivi molto semplici, parete sottile; Gram-negativi parete complessa formata da 4 strati:

1. Adiacente al plasmalemma, trasparente agli elettroni.
2. Appare come una banda scura con uno spessore di 10 nm, composto da mureina: conferisce forma e protezione meccanica alla cellula.
3. Il terzo e quarto strato, quelli più esterni, sono composti da proteine, fosfolipidi e lipopolisaccaridi.

Su tutta la parete vi sono dei pori con un diametro di 70 nm per il trasporto di metaboliti, la secrezione di mucillagine e la formazione di una guaina all'esterno della parete con funzione protettiva, di adesione al substrato e per movimento. In alcune specie la guaina serve per schermare le radiazioni UV.

Si sono osservati anche i pili cioè delle fibrille proteiche disposte perpendicolarmente alla parete e dotate di proprietà contrattili, alcuni servono per il riconoscimento del substrato e l'adesione (lunghi e sottili), altri per la motilità (corti e robusti).

La membrana o parete cellulare inoltre crea delle invaginazioni chiamate mesosomi, e di conseguenza uno spazio periplasmatico in cui vi sono diverse proteine coinvolte nel trasporto di elettroni in cui si trovano i siti della respirazione cellulare (fotosintesi).