Riassunto esame Botanica morfo-funzionale, Prof. Celant Alessandra, libro consigliato Botanica generale e diversità vegetale, Pasqua, Abbate, Forni

Botanica morfo-funzionale

Introduzione alla botanica morfo-funzionale

Morfo: morfè forma Funzionale: come lavora, come è organizzato. In biologia, funzione è fisiologia. Come sono fatti organismi vegetali e come reagiscono all’ambiente? Gli organismi vegetali sono gli esseri più adattati ai cambiamenti ambientali.

Reazioni ossidative e adattamenti

Reazioni ossidative del substrato (suolo, sottosuolo). Reazioni di ossidazione con uscita di energia. La condizione di morte e decomposizione di un animale è la condizione di vita di un vegetale. Le cellule vegetali e animali hanno un “messaggio chimico” (trasmettono le condizioni di stress alla pianta stessa e alle altre) che trasmettono ai propri simili.

Cos’è la vita?

È una proprietà della materia (organica, macromolecole) con cui sono fatti tutti i viventi. Chimica organica: chimica del carbonio legato. Viventi materia proteine (una proteina non fa un’altra proteina) le proteine non possono generare altre proteine identiche ma servono sequenze genetiche del DNA.

Le cellule e la complessità biologica

Cellule deriva da celle dell’arnia delle api (Robert Hooke 1665, osservando un tappo di sughero al microscopio). Complessità: varietà di parti che cooperano tra loro (coordinazione funzionale. Charles Darwin). In quanto a composizione organica non c’è differenza tra i vari esseri viventi 97-99% circa.

Costituzione chimica dei viventi

Costituzione chimica dei viventi: acqua 50%, composti inorganici (ioni K+, Ca2+, Na+), composti organici (C,H, O), lipidi (C, H, O), acidi organici DNA e RNA (C, H, O, N, P) e proteine (C, H, O, N, S).

Carboidrati e lipidi

Carboidrati: Glucosio e fruttosio (monomeri). Lipidi (grassi): trigliceridi, tre molecole di grasso legate al glicerolo. Fosfolipidi: lipidi con presenza di gruppo fosfato. Sono essenziali perché formano le membrane delle cellule (testa polare, coda non polare). Sono collegati tra loro tramite la coda non polare (doppio strato del fosfolipide).

Proteine e teoria cellulare

Proteine (polimeri): funzionano anche come catalizzatori organici chiamati enzimi. Le cellule sono piccole perché la superficie esposta riesce a scambiare energia con l’ambiente esterno. Teoria cellulare: Ogni cellula deriva da una cellula (omnis cellula e cellula). La cellula è la più piccola unità vivente; cellule più numerose formano organismi più grandi. Le cellule hanno un modello unificante: unità strutturale, unità funzionale, contengono tutte le informazioni per costruire altre cellule uguali: queste informazioni servono a costruire le proteine. Ogni cellula possiede le info genetiche necessarie a costruire una cellula simile a sé stessa.

Legami e DNA

Legame elettrostatico (legame di tipo elettrico): tiene unite due molecole diverse. Gli elettroni tendono ad avvicinarsi ma non stabiliscono un vero legame. I legami di tipo elettrostatico, se innalziamo la temperatura, possono rompersi. È la base che permette di aprire la forma a doppia elica del DNA. DNA: il DNA è essenziale per formare le proteine. Il contenuto varia tra gli organismi. L’uomo possiede meno DNA delle piante, dei funghi e dei batteri. Il DNA non è proteine, ma una sequenza (nucleotide).

Genetica e metabolismo cellulare

Genetica: studio del patrimonio genico da dove provengono le proteine che uno ha. Gene RNA messaggero codone nucleotidi codice genetico. Le cellule devono lavorare per il metabolismo cellulare e attuare un funzionamento di base: metabolismo basale (funzioni vitali) da cui dipende la vita della cellula e serve ad assicurare le condizioni chimico fisiche della vita della cellula (la cellula deve mantenere se stessa rinnovando le parti vecchie).

Omeostasi e consumo di energia

Omeostasi cellulare: mantenimento funzionale ed equilibrato della cellula (implica energia perché i pezzi per mantenere l’equilibrio devono essere rinnovati continuamente). La vita è compatibile solo con il consumo di energia. Il consumo di energia è il principio di base della vita. Qualunque sistema non vivente tenderebbe all’entropia (disordine molecolare). La cellula vivente combatte l’entropia (sforzo, usare energia per mantenere l’ordine) e il disordine fisico molecolare ricostruendo le vecchie cellule e mantenendo attivo il bagaglio efficiente. Apporto energetico costante per mantenere la vita. Omeostasi cellulare si collega alla vita di tutti gli organismi.

Metabolismo

Anabolismo: costa ma produce energia (zucchero) partendo dall’energia solare e dall’acqua (anabolismo fotosintetico). Costruzione dell’elemento.

Fase anabolica dei microrganismi

• Autotrofia: riguarda gli essere viventi che si nutrono di sostanze inorganiche. Spaccare la molecola dell’acqua che diventerà zucchero (monomeri dei carboidrati), diventando quindi sostanze organiche; lo zucchero è il prodotto dell’anabolismo. Gli autotrofi sono produttori primari alla base della catena alimentare.
• Eterotrofia: riguarda gli essere viventi che si nutrono di sostanze organiche. Gli eterotrofi sono consumatori di energia fotosintetica. Gli eterotrofi si mangiano gli autotrofi. Saprofiti: vivono a spese di materia organica morta (decompositori), sono essenziali. Simbionti: bios - vita, sim – con Vita in comune. Finalità per aiutarsi dal punto di vista nutrizionale (parassiti e mutualisti).

Mitocondri e fotoautotrofia

Mitocondri: demoliscono i carboidrati nella respirazione e generano ATP, in cui lo zucchero viene demolito all’anidride carbonica che si diffonde nello spazio. Fotoautotrofia e chemio autotrofia: ricavare energia per produrre nutrimento dalle reazioni chimiche inorganiche del suolo.

Catabolismo e respirazione

Catabolismo: liberazione di energia che genera ATP. Si brucia l’elemento prodotto con l’anabolismo.

Fase catabolica

• Aerobiosi: demolizione catabolica dell’alimento costruito nell’anabolismo mediante ossigeno molecolare. L’uomo e le piante sono aerobionti.
• Anaerobiosi: processo di demolizione di materiale organico creato nella fase anabolica (alimento), utilizzando composti alternativi all’ossigeno. Alcuni vegetali lo sono. Organismi aerobi ed anaerobi si dividono in facoltativi o obbligati.
• Facoltativo: Un organismo che respira con ossigeno se c’è ossigeno, se non c’è va in modalità fermentativa.
• Obbligati: Se vengono a contatto con l’ossigeno muoiono, perché hanno soltanto bisogno di fermentare (tetano).

Gli eucarioti e i procarioti

Il nucleo protegge contiene il DNA isolandolo dal resto della cellula, facendo in modo che il DNA possa essere trascritto negli RNA messaggeri che dovranno uscire dal nucleo e andare nel reticolo endoplasmatico per far avvenire la sintesi delle proteine.

I procarioti

Molti batteri sono essenziali al sistema ambiente. Hanno varie forme:

• Filamentosi
• Sferetta (cocchi)
• Bastoncino (baccilliobatteri)
• Spiraletta
• Vibrioni, a forma di virgola

Caratteristiche dei procarioti

• Nucleo privo di membrana diverso da quello degli eucarioti
• Dimensioni cellulari ridotte
• Presenza nella parete cellulare di mureina
• Possibile presenza di flagelli che provocano movimenti, all’interno si trova la flagellina che garantisce il movimento del batterio
• Nel citoplasma si trovano i plasmidi che possono integrarsi con il DNA del nucleoide. Possono essere responsabili di una mutazione di un clone da un batterio ad un altro, causano malattie, permettono di capire come ricombinare il DNA e creare Ogm utili alla medicina. Servono a trasmettere da un ceppo all’altro una mutazione genetica.

Riproduzione dei procarioti

I procarioti non possono riprodursi sessualmente: può avvenire una scissione (divisione che crea un altro batterio). Gemmazione (modifica della scissione, si ha quando una delle due parti che si sta replicando è più piccola dell’altra); Frammentazione; Sporulazione (ispessimento della parete esterna e fusione nell’aria). Mancano di citoscheletro, una struttura fluida e morbida dotata di cellule eucarioti vegetali e animali, con varie funzioni. Fatta di proteine, essenziale per alcuni processi che avvengono nella cellula eucariote: ripartizione del genoma. Mancano i cromosomi, spezzettamento del DNA.

Batteri metanogeni e solfobatteri

Batteri metanogeni: Appartengono agli archea. Vivono in ambienti asfittico (senza ossigeno), utilizzano idrogeno puro per produrre metano. Sono essenziali bio produttori di energia e hanno potenzialità di vita enormi. Solfobatteri: Hanno necessità di vivere alla luce, fanno attività fotosintetica, senza liberare ossigeno, ma depositano granelli di zolfo, fotosintesi anossigenica.

Cianobatteri e fissazione dell’azoto

Cianobatteri: Primi organismi comparsi sulla terra, vivono riuniti in colonie (nostoc). Svolgono una fotosintesi ossigenica. Liberano ossigeno nell’aria e nell’acqua durante la fotosintesi. Cianobatteri azoto-fissatori, catturano l’azoto con l’enzima (proteina) Nitrogenasi spendendo tanta energia in forma di ATP: se non c’è energia non c’è reazione di riduzione. La Nitrogenasi non esiste negli eucarioti, viene alterata a contatto con l’ossigeno agisce quindi con organismi anaerobici, ambienti isolati (eterocisti), poca presenza di ossigeno.

Stromatoliti e ciclo dell’azoto

Stromatoliti (alghe azzurre): Vivono “attaccati” ai sassi marini. Quando c’è bassa marea prendono la luce e diventano di un colore azzurro; sott’acqua rilasciano ossigeno, e si vedono le bolle. Il serbatoio dell’azoto è l’atmosfera. Avviene una conversione di N₂ (azoto molecolare) in ammonio NH₃ + H₂O (nell’atmosfera), nel terreno si formano composti inorganici che contengono azoto (nitro: nitrati e nitriti che hanno numero ossidazione +3, +5). Ciclo dell’azoto: l’azoto molecolare viene ridotto soltanto da procarioti azoto fissatori, che fanno diventare l’azoto in NH₄ (azoto organico ridotto, ammonio).

Plastidi e cloroplasti

Cromoplasti: colori che non dipendono dagli inclusi vacuolari. Possono derivare da cloroplasti che perdono la loro clorofilla e accumulano dentro di loro carotenoidi. Leucoplasti: incolore, fondamentali per la biosintesi degli acidi grassi e sede degli oli essenziali. Possono servire come riserva proteica.

Amiloplasti e ezioplasto

• Amiloplasti: Accumulo di amido polimero dell’alfa glucosio. Iniziano in modo rettilineo e finiscono in elica. Legame alfa: la formazione del ponte a ossigeno con eliminazione di acqua, tra i due glucosi, avverrà dalla stessa parte. È la prima cosa che brucia la pianta per poter fare la respirazione. Gli amiloplasti possono convertire in cromoplasti. Sentono la direzione della forza di gravità, guidano la penetrazione della radice nel suolo.
• Ezioplasto: se non c’è luce il proplastidio si converte in ezioplasto.

Cloroplasti e ontogenesi

Il cloroplasto è specializzato per il processo fotosintetico: è verde perché la luce non viene utilizzata nel processo fotosintetico. Le foglie ingialliscono perché i loro cloroplasti si sono trasformati in cromoplasti. Ficoplasti (cloroplasti delle alghe). Amido primario, si condensa, viene mandato fuori dallo stroma. All’interno dello stroma c’è il nucleoide (DNA) non delimitato da membrana cellulare, codifica proteine che servono al funzionamento del cloroplasto.

Origine dei cloroplasti

• Da un leucoplasto
• Da un cloroplasto preesistente attraverso un processo di scissione binaria (come nei procarioti)
• Da un ezioplasto, che è stato al buio per poco tempo e può riorganizzare il sistema di membrane
• Da un proplastidio

Luce e biogenesi del cloroplasto

Se non c’è luce non ci sono cloroplasti, se non ci sono cloroplasti non c’è fotosintesi. Vanno nella direzione della luce grazie all’aiuto del citoscheletro corticale. La luce per le piante è indispensabile per l’origine dei cloroplasti, che svolgono il processo anabolico delle piante. La luce è in grado di far aprire sequenze del DNA che codificano per proteine indispensabili alla biogenesi del cloroplasto: per determinare l’apertura del DNA è necessaria l’attivazione di molecole chiamate fattori di trascrizione, che condizionano l’inizio della copiatura secondo la complementarità delle basi azotate. La luce condiziona l’espressione genica del plastidio in formazione.

Protoclorofillide e crescita del proplastidio

Il precursore della clorofilla, protoclorofillide, è una molecola più semplice delle clorofille. È indispensabile per catturare la luce solare che verrà convertita in clorofilla grazie ad un enzima (proteina) attivato dalla luce. Durante la fase di crescita del proplastidio si replica il DNA del nucleoide, che si mantiene fin quando il proplastidio non diventa cloroplasto adulto. Dal momento di crescita fino alla trasformazione in cloroplasto adulto la capacità di scissione ci sarà sempre, aumentano il loro numero, l’unità figlia formata ha il DNA del nucleoide.

Cloroplasti negli organi aerei delle piante

Tutti gli organi aerei verdi delle piante superiori possono avere cloroplasti. Le membrane dei plastidi (cloroplasti) hanno una composizione lipidica particolare, hanno molecole di acidi grassi lunghi che normalmente sono attaccate agli zuccheri (galattolipidi): sono dotati di parecchi doppi legami, hanno un elevato grado di insaturazione.

Pigmenti e stroma

Un pigmento è una sostanza che assorbe la luce selettivamente (ogni pigmento seleziona un colore diverso della luce), viene eccitato da una specifica lunghezza d’onda. I pigmenti sono molecole organiche non polimeriche, con una serie di doppi legami alternati.

Stroma e complessi antenna

Stroma: è la sede del DNA, troviamo tutte le proteine che catalizzano la fase oscura della fotosintesi (oscura perché indipendente dalla luce). All’interno troviamo i plastoglobuli. Al livello delle membrane intergranali prevalgono i complessi antenna di tipo I. al livello dei grana prevalgono complessi di tipo II.

Tilacoidi e fotosintesi

La luce colpisce le membrane tilacoidali, attiva un processo ossidativo che necessita di un donatore di elettroni (l’acqua che si spacca e dona gli elettroni), che produce ossigeno, e passa energia nello stroma che insieme all’anidride carbonica genera glucosio.

I plastidi delle alghe

Ficoplasti. Chlorella: alga verde unicellulare, processo fotosintetico produce amido a differenza degli altri gruppi algali. Rodofite: alghe rosse, hanno tilacoidi agranali (senza filamento in grana) con ficobilisomi che catturano luce a lunghezza d’onda corta. Alghe verdi: non hanno ficobiline, ma riescono ad impilare i tilacoidi (grana) e differenziare la clorofilla b.

Teoria endosimbiontica e rubisco

Teoria endosimbiontica: simbiosi vita in comune con un fine nutrizionale; endo dentro. Si basa sull’osservazione che organuli. Il cloroplasto era un cianobatterio (procariote) che è stato inglobato, fagocitato, da un altro organismo unicellulare, che ha deciso di non distruggerlo (mangiarlo), ma di tenerselo, fargli captare la luce, fare la fotosintesi e produrre lo zucchero. Rubisco: il più grande enzima, fissa l’anidride carbonica dell’aria e dell’acqua.

Nucleo eucariotico e ciclo del carbonio

Il DNA apre la doppia elica e può essere copiato in base alla legge della complementarità delle basi azotate (codice genetico) e produrre una specifica proteina, formando un RNA messaggero, che contiene l’informazione per fare quella proteina (sub unità piccola della rubisco). Ciclo del carbonio: Il ciclo del carbonio si ottiene accoppiando fotosintesi e respirazione. Parlare del ciclo del carbonio significa parlare della vita. Presente in forma inorganica. Carbonio organico legato ad altri atomi per formare molecole come gli zuccheri, carboidrati.

Il ciclo del carbonio e la vita delle piante

Vede una fonte inorganica che diventerà carbonio organico e alimento per la cellula, dovrà essere rotto di nuovo fino a restituire il pezzo iniziale (CO₂), la demolizione avviene nel mitocondrio, e si formerà acqua. Il carbonio viene preso in forma inorganica (CO₂), organicato e restituito per dare di nuovo anidride carbonica e acqua. Le piante attraverso questo processo recuperano energia in forma di ATP, per mantenere la propria omeostasi cellulare. Principali organismi fotosintetizzanti sono le piante terrestri, alghe marine, cianobatteri, alghe oceaniche; riescono, partendo da acqua e anidride carbonica, a sintetizzare composti organici (zuccheri e carboidrati), liberando un escreto cellulare (rifiuto della reazione ossigeno) che può essere vitale per la vita sulla terra.

CO₂ e zuccheri

La CO₂ viene fissata e una parte degli zuccheri derivanti dall’aggregazione sarà utilizzata dall’organismo fotosintetico (fase di anabolismo). La maggior parte del carbonio organico si trova nelle piante e in tutti gli organismi eterotrofi, anche quelli morti, che formeranno carbon fossile, che si depositeranno nel sottosuolo o nelle profondità oceaniche. Tutto questo ammasso di animali e vegetali morti sarà attaccato dai batteri della composizione o ammonificanti (anche i funghi saprofiti). Quando viene liberata l’anidride carbonica nell’atmosfera riparte un nuovo ciclo, grazie ad altri organismi fotosintetici. Una parte del carbonio della CO₂ sta anche in altre forme di carbonio inorganico: nei sali (carbonato di calcio, rocce calcaree).

Conclusioni

Diapositiva ciclo: la luce colpisce i pigmenti (molecole fotosensibili), se c’è acqua inizia la fase nel cloroplasto fotochimica, una fase...