Appunti biologia vegetale

Biologia della cellula vegetale: nozioni importanti

Biotecnologie

Le biotecnologie sono l'insieme di tecniche che mi consentono di utilizzare le cellule viventi per produrre sostanze utili all’uomo, di interesse industriale (farmaceutica, in campo biomedico, industria agrochimica). Il suo campo d’azione sono le cellule, il tessuto, gli organi.

Cellula vegetale

A differenza della cellula animale, nella cellula vegetale ci sono i vacuoli, i cloroplasti e la parete cellulare.

Fotosintesi: Si tratta della fissazione del carbonio atmosferico, produce molti zuccheri, dunque produce biomassa.

Totipotenza: È una peculiarità della cellula vegetale ed è molto importante per il biotecnologo per produrre sostanze di interesse industriale come farmaci e anticorpi.

Teoria cellulare

Sviluppo della teoria cellulare

Rudolf Virchow sviluppò la teoria cellulare nella seconda metà del 1800 con il suo microscopio. Pose le basi di questa famosa teoria che si accompagna al detto “ogni singola cellula deriva solo ed esclusivamente da un’altra cellula”, “Omnis cellula e cellula”. Ciò smentì le teorie poco scientifiche di quel tempo.

La teoria cellulare si è rafforzata ulteriormente con la ricerca condotta da Robert Hook che fu il primo a utilizzare il termine cellula. Dal sughero, un tessuto vegetale, se ne studiarono le caratteristiche e osservandolo deriva il concetto di cellula come componente di questi tessuti.

Principi della teoria cellulare

• La cellula è l’unità fondamentale degli organismi viventi.
• Gli organismi si distinguono in procarioti (batteri e cianobatteri) e eucarioti (con un sistema di endomembrane).
• Gli eucarioti possono essere sia unicellulare sia pluricellulare.

Un organismo unicellulare che ha il nucleo, dunque che è un procariote, è il lievito (molto usato per lo studio della crescita degli organismi eucarioti).

I virus e i batteriofagi non sono organismi in quanto dipendono da una cellula per la loro riproduzione.

Cellula procariotica

• Involucro esterno, ovvero la parete cellulare (come nelle cellule vegetali) e serve per dare resistenza e protezione, regola gli interscambi, aiuta inoltre a cementare tra di loro le singole cellule, ma è anche un punto importantissimo di comunicazione (se arriva un fungo, una larva che bruca la foglia, partono dei segnali (si staccano dei pezzi di parete) e segnalano alla cellula che c’è un pericolo).
• Membrana cellulare con proteine.
• Cromosoma batterico che si condensa a formare il nucleoide che si posiziona in una determinata regione della cellula batterica a ridosso della membrana.
• Ribosomi: sede della sintesi proteica.

Cellula eucariotica

• Apparato del Golgi che ha la funzione di modificare determinate proteine, o preparare materiale destinato a essere secreto e trasferito a siti specifici. A sua volta si distingue nel liscio (modifica ulteriormente le proteine) e ruvido (con ribosomi che sintetizzano proteine e fanno avvenire modifiche post traduzionali).
• Mitocondrio: sede di ATP, centrale energetica della cellula.
• Lisosoma: ha una funzione digestiva, contiene enzimi idrolitici. Nelle cellule vegetali non ci sono, ma viene svolta questa funzione dal vacuolo.
• Il nucleolo è la parte più condensata del nucleo e ha una funzione importantissima: sintesi RNA ribosomiali. Ne produce maggiormente se servono più ribosomi.

Confronto cellule eucariotiche animali e vegetali

La cellula vegetale contiene i plastidi che possono essere di vario tipo, il cloroplasto è un plastide, ci sono diversi classi di plastidi e ognuno è specializzato in una funzione:

• Cloroplasto si trova nei tessuti verdi per la fotosintesi.
• Cromoplasti: danno il colore nei petali del fiore per esempio, essi accumulano pigmenti e danno colorazione.
• Amiloplasti che sono punti di immagazzinamento di amido si trovano dunque nel seme, nelle radici, nel frutto e nel tubero della patata.

Molecole nella cellula

Una cellula si compone di molecole organiche o biomolecole, le cosiddette macromolecole che sono poi dei polimeri (insieme di monomeri) e molecole inorganiche.

Molecole organiche

• Macromolecole:
  • DNA, polimeri di deossinucleotidi.
  • RNA, polimeri di nucleotidi.
  • Proteine, polimeri di amminoacidi.
  • Polisaccaridi, polimeri di zuccheri semplici.
• Mesomolecole: lipidi, zuccheri, vitamine, cofattori (questi ultimi servono per gli enzimi per catalizzare la loro reazione e possono essere ioni metallici o anche molecole più complesse).

Molecole inorganiche

Acqua e ioni minerali (microelementi essenziali perché tanti enzimi non lavorano se non ci sono ioni zinco, manganese, anche la parete cellulare necessita di ioni calcio, boro).

Funzioni e metabolismo cellulare

La cellula, eucariotica e procariotica, è l’unità morfologica e funzionale di ogni organismo. La cellula ha attività e funzioni vitali che sono indicate con il nome di metabolismo (insieme delle funzioni che servono alla cellula per svolgere la sua attività).

Il metabolismo è la somma dell’anabolismo (razione di biosintesi) e catabolismo (reazioni biochimiche di degradazione). Una reazione chimica o biochimica può essere esoergonica o endoergonica a seconda se libera energia o meno.

La cellula ha bisogno di nutrimenti che vengono assorbiti dalla cellula e vanno incontro a degradazione per la liberazione di monomeri. I catabolic pathways degradano e liberano energia e calore. L’energia serve per la sintesi di macromolecole, ovvero negli anabolic pathways. È dunque indispensabile l’ATP: adenosintrifosfato, una molecola ad alto contenuto energetico, se la cellula deve spendere energia si ha idrolisi di ATP con rottura del legame con il fosfato terminale della molecola di ATP, altrimenti si sintetizza ATP da ADP e gruppo fosfato inorganico.

Autotrofia ed eterotrofia

Gli organismi viventi in base alla nutrizione si dividono in autotrofi ed eterotrofi. Gli autotrofi (piante) sono in grado di produrre molecole organiche partendo da molecole semplici. L’esempio classico è la fotosintesi: produzione di carboidrati partendo da acqua e CO₂ grazie all’energia solare che viene convertita in energia chimica.

Le molecole organiche contengono un’energia superiore rispetto a quella delle molecole inorganiche, dunque la loro sintesi richiede un apporto esterno di energia.

Processi energetici nella cellula eucariotica

• Autotrofi: la fotosintesi e la respirazione.
• Eterotrofi: la respirazione e la fermentazione (questa in assenza di ossigeno).

Non si può parlare di metabolismo energetico senza menzionare l’ATP. L’ATP serve come molecola di scambio energetico e si parla di potere riducente, metabolismo redox della cellula. Il potere riducente o metabolismo redox della cellula sono reazioni di ossidoriduzione, scambio di elettroni. Dunque si tratta di energia di tipo chimico sotto forma di adenosintrifosfato (ATP) o di composti ridotti (NADH, NADPH ...).

Organismi autotrofi

Possono essere fotosintetici o chemiosintetici:

Organismi fotosintetici

L’energia necessaria per produrre molecole organiche viene ricavata dalla luce. Ne sono un esempio le alghe, i cianobatteri, le piante verdi.

Organismi chemiosintetici

Ricavano energia da substrati ricchi di zolfo per esempio, tramite reazioni esoergoniche. Quest’attività è tipica degli archeobatteri che sono microrganismi estremofili, sono antichissimi e si sono ambientati in condizioni ambientali estreme (sopravvivere a temperature al di sotto dello zero, o al di sopra dei 100 gradi, o in ambienti molto basici o acidi).

Organismi eterotrofi

Sono la maggior parte: batteri, funghi, piante superiori parassite, animali. Noi non riusciamo a produrre molecole organiche (catturare energia luminosa e convertirla in energia chimica), ma riusciamo a sintetizzare molecole complesse partendo da molecole pre-formate e ottenute dall’esterno. Dunque noi riusciamo a organizzare, non produrre molecole organiche.

Evoluzione della cellula eucariotica

Il nostro pianeta ha avuto origine circa 4 miliardi e mezzo di anni fa dalla nebulosa solare: c’era un disco di polveri in rotazione all’origine da cui si è formato il sole e in seguito a condensazione del materiale che vagava nello spazio si sono verificate delle collisioni da cui si sono formati i protopianeti e anche la terra. 4 miliardi di anni fa le prime molecole si sono formate e si sono duplicate. Da qui si è evoluta la cellula di tipo eucariotico e poi anche quella vegetale.

La cosa importante è che nel nostro pianeta si sono succedute diverse tipologie di atmosfera:

• Idrogeno e elio.
• Una seconda atmosfera costituita da vapore acqueo, anidride carbonica e azoto.
• La terza atmosfera ricca di ossigeno invece e si formò in seguito alle attività delle alghe verdi azzurre che avevano la capacità di far fotosintesi ossigenica.

Si è verificata poi nel tempo quella che è la progressiva colonizzazione delle terre da parte dei primi organismi che lasciarono l’ambiente acquatico e che hanno dovuto proteggersi da eccessiva perdita d’acqua e sviluppare strutture che consentono supporto alla pianta (lignina) per poi poter sviluppare la struttura che noi conosciamo oggi.

Teoria dell'endosimbionte

Il mitocondrio e il cloroplasto hanno caratteristiche tipiche procariotiche, di un batterio. Da queste osservazioni è nata l’idea e poi è stata sviluppata l’ipotesi che si siano originati da un antenato, da un batterio che è stato assimilato da un altro antenato, questa volta della cellula eucariotica. Si instaurò una simbiosi (scambio reciproco di sostanze).

Negli anni si è scoperto che c’è stato uno scambio di geni tra mitocondrio, cloroplasto e nucleo della cellula eucariotica.

Ipotesi sulla teoria

• Mito-early: l’antico batterio è stato acquisito molto presto, early, lungo la scala evolutiva quando la cellula eucariotica non era ancor ben sviluppata.
• Mito-late (si dice maito): il batterio che poi ha dato origine al mitocondrio è stato acquisito più avanti lungo il percorso evolutivo quando la cellula eucariotica aveva già sviluppato il sistema di endomembrane.
• Mito-intermediate: l’acquisizione del batterio è avvenuta in una fase temporale intermedia.

Great oxygenation event

Questa teoria copre una gamma di tempo enorme. Quando c’è stato un riversare quantità massicce di ossigeno da parte dei cianobatteri nell’atmosfera: si è riversato dapprima negli oceani e poi è passato all’atmosfera, l’ossigeno interagì con il ferro e si depositavano sotto forma di sedimenti, strati molto rossi grande concentrazione di ferro.

Punto di datazione per dare un riscontro a questa ipotesi evolutiva.

Adattamento e divergenza degli organismi

Il fatto che da quella che è una cellula eucariota ancestrale, ma con il procariote, si sia sviluppato il cloroplasto, una cellula vegetale, ci dice che c’è stato un adattamento all’ambiente che ha spinto il progenitore verso una linea vegetale piuttosto che animale.

Last eukaryotic common ancestor

Si tratta del nodo cruciale da cui poi c’è stata la divergenza tra vegetali e animali. Si studia molto chi fosse l’antenato comune ad entrambi. Il progenitore di tutte le cellule eucariotiche conteneva un mitocondrio derivato da un proteo-battere. Il termine proteo battere deriva da una divinità greca con la caratteristica di cambiare forma, ecco perché si chiama così. A seconda della nicchia ecologica, ovvero delle caratteristiche dell’ambiente in cui si trovava, si è sviluppato diversamente.

Evoluzione delle piante

Le piante si sono sviluppate da un’alga ancestrale che si è poi evoluta e ha dato origine a piante non vascolari (muschi), piante vascolari (piante che fanno semi e quelle no). Le piante si sarebbero evolute da un’alga verde acquatica (protista). I protisti raggruppano organismi dotati di un nucleo ben definito, ma che tuttavia non possono essere assegnati ad alcun regno. Questi organismi poi hanno colonizzato le terre, c’è stata la ricerca di nuovi ambienti in cui non ci sia competizione per il recupero di nutrienti (questo ha spinto la migrazione di organismi vegetali dall’ambiente acquatico a quello terrestre), ma quando un organismo va in contro a un cambiamento così drastico dell’ambiente si deve adattare. Si sono dunque sviluppate le piante come le conosciamo adesso.

Adattamenti delle piante

Il passaggio dall’ambiente acquatico a quello terrestre ha portato alcuni benefici e vantaggi:

• Le piante si trovano a dover competere meno per l’utilizzo dell’energia solare, è dunque uno stimolo per l’attività fotosintetica.
• Le piante captano, assorbono energia luminosa e la convertono con la fotosintesi per produrre proteine carboidrati, lipidi fondamentali per la sopravvivenza.
• L’acqua trattiene le radiazioni della luce, dunque le piante primordiali che vivevano negli oceani non prendevano una luce perfetta per la fotosintesi poiché veniva filtrata.

Il mesofillo fogliare è il tessuto fogliare verde costituito da cellule adiacenti e i corpuscoli verdi brillanti sono i cloroplasti che contengono la clorofilla (pigmenti fotosintetici). Sono cellule altamente specializzate che svolgono un'unica funzione importantissima (che è quella della fotosintesi). Le cellule non specifiche hanno il compito invece di proliferare.

Dunque un possibile stimolo per emigrare dall’ambiente acquatico era che quest’ultimo diventava troppo competitivo per la luce necessaria per la fotosintesi. Le lunghezze d’onda assorbite da un pigmento (una molecola con una struttura chimica ben definita (doppi legami) che consente di assorbire un fotone (carotenoide, clorofilla di tipo A/B)) sono ben definite e in particolare le clorofille hanno un picco di assorbimento nelle regioni blu e rosse dello spettro. Queste ultime però non riescono a penetrare nell’ambiente acquatico poiché vengono filtrate. Questi organismi fotosintetici, antenati delle moderne piante, che vivevano nell’ambiente acquatico non ricevevano corrette lunghezze d’onda. Sulla superficie terrestre invece la pianta sfrutta al meglio la radiazione solare poiché tali lunghezze d’onda arrivano direttamente ad esse.

Problemi dell'adattamento terrestre

Queste piante tuttavia hanno dovuto fare i conti con il problema della disidratazione poiché le condizioni dell’ambiente terrestre spingono alla disidratazione, inoltre si è spinto il problema del sostegno. L’acqua infatti le sosteneva, sulla terra invece hanno dovuto sviluppare strutture e sistemi molto specializzati il tessuto fogliare ha dovuto rivestirsi di sostanze protettive come la cuticola (evitava l’eccessiva fuoriuscita di acqua), si sono evoluti anche degli stomi (piccole aperture che si possono aprire o chiudere: quando si aprono passa anidride carbonica, ma anche vapore acqueo, consentendo dunque gli scambi gassosi. La CO₂ serve per la produzione di carboidrati nella fase metabolica della fotosintesi).

Il fusto serve per il trasporto di nutrimenti e acqua assorbiti dalle radici che servono anche per l’ancoramento al tessuto. Questi eventi si sono distribuiti in un arco di tempo molto vasto.

Al di là dell’incredibile biodiversità della natura ci sarà sempre l’organizzazione in radice, fusto e foglie che è il risultato dell’adattamento all’ambiente terrestre. Bisogna sempre ricordare che le piante sono organismi immobili, la pianta non può fuggire a condizioni ambientali sfavorevoli, si deve adattare sempre. Deve avere una rapida interazione con l’ambiente per capire i cambiamenti (di temperatura, nutrimenti o l’arrivo di un patogeno), deve elaborare queste informazioni e le deve mandare al nucleo dove c’è l’informazione genetica e la risposta a questi problemi.

Sono organismi molto abili grazie a dei recettori molto complessi, dunque hanno dovuto sviluppare una sensibilità molto maggiore poiché sono immobili. Qualcosa che non si verifica nella pianta è la migrazione della cellula (come l’embrione che sviluppa i vari tipi di tessuto e di organo, c’è dunque una migrazione di gruppi di cellule). Le cellule vegetali in un tessuto infatti sono bloccate dalla parete, questo non consente una migrazione, uno spostamento di tali cellule.

Differenze tra sviluppo animale e vegetale

Nell’organismo vegetale si ha la fecondazione, lo zigote con suddivisioni cellulari successive si sviluppa nell’embrione che è chiuso nel seme che con i suoi tessuti lo avvolge, si trova in uno stato di quiescenza e viene diffuso nell’ambiente. La ripresa del metabolismo si ha quando c’è la percezione di condizioni ambientali favorevoli: la presenza di acqua fa sì che dal seme si abbia la diffusione di una radichetta e due cotiledoni verdi (le foglioline). Parte solo ora la germinazione e gli organi si formano dunque in un secondo momento.

Negli animali invece l’organogenesi (lo sviluppo) avviene in un ambiente protetto come l’uovo o il grembo materno.

Nei vegetali sono disgiunte l’embriogenesi e l'organogenesi perché la pianta è immobile, dunque la crescita e lo sviluppo sono influenzati da svariati fattori ambientali.