Appunti Botanica 1° anno

Introduzione alla botanica

La botanica (dal greco: βοτάνη (botane) = pianta) è la disciplina della biologia che studia le forme di vita del mondo vegetale (la flora), specie in rapporto alla loro anatomia, fisiologia, utilità, classificazione ed ecologia. Intorno ai corsi d’acqua si è sviluppata la maggior parte della vegetazione e l’acqua crea la biodiversità.

Piante e vegetazione

• Phoenix dattilifera: pianta che si trova nelle oasi della Libia. È una pianta spontanea ma non è originaria dell’Africa, arriva dall’Asia. “phoenix”: richiama il colore rosso. “dattilifera”: porta vita.
• Vegetazione igrofila (che ha bisogno di umidità). Ad esempio, questo tipo di vegetazione è presente su una delle due sponde del Nilo.

Come gli uomini usano le piante

1. Spezie: presentano colori e profumi particolari determinati da specifiche molecole chimiche.
2. Frutti: vengono mangiati, contengono polifenoli, antiossidanti, vitamine ecc.

Frutti

Il colore del frutto è la prima cosa che si nota in esso e serve per attrarre, per la loro riproduzione. Sono ricchi di vitamine e danno sostanza, queste caratteristiche vengono tramandate di generazione in generazione. Lo scopo del frutto è quello di riprodursi attraverso la diffusione dei semi che produce.

Fiori

Anche i fiori puntano sull’aspetto visivo, ma il loro scopo principale è quello di diffondere il polline ad altre piante della stessa specie in modo tale da riprodursi (riproduzione sessuale). Il loro profumo viene rilasciato attraverso pori secretori per inviare messaggi agli insetti e alle altre piante riguardo le loro condizioni: fiore mature ecc.

Struttura e funzione delle cellule

La cellula è la più piccola unità funzionale di un organismo. Ogni cellula presenta alcune caratteristiche comuni a tutte le altre:

• Membrana cellulare
• Ribosomi
• DNA
• Citoplasma

Inoltre, le cellule possono dividersi in base alla loro capacità di essere autonome, ovvero di riprodursi, nutrirsi e rispondere a stimoli; una cellula che riesce a compiere tutto ciò da sola è di sicuro unicellulare. Se più cellule hanno bisogno, invece, di organizzarsi in tessuti per riuscire a compiere queste determinate funzioni, allora si tratta di organismi pluricellulari.

Gli organismi possono essere divisi in:

• Eucarioti: possono esistere in forma unicellulare o pluricellulare
• Procarioti: esistono solo unicellulari

Filogenesi

Tra tutti gli organismi viventi c’è una relazione poiché si è studiato che essi hanno un antenato comune che è un procariote ancestrale. Gli archeabatteri non si sono modificati molto, mentre gli eubatteri e gli eucarioti si sono modificati per riuscire ad adattarsi alle condizioni ambientali che via via sono cambiate nel tempo. I progenoti sono i precursori degli organismi cellulari successivi. Sono formati da proteine e materiale genetico; attraverso vari studi si è arrivato a pensare che all’interno dei progenoti ci fosse RNA e non DNA, poiché il primo è più semplice del secondo dal momento che è formato da un solo filamento e non da una doppia elica. Quando RNA per la prima volta rimase intrappolato all’interno di una catena proteica il progenote fu in grado di dividersi.

Coesistono due ipotesi riguardo allo sviluppo dei progenoti:

1. Alcuni progenoti si sarebbero trasformati subito in procarioti (archeobatteri e eubatteri) e altri in eucarioti.
2. Da progenote, considerati solo una fase precoce di vita sulla terra, si sono evoluti in procarioti, da organismi procariotici alcuni di questi sono rimasti tali, altri, in seguito ad evoluzione, sono diventati eucarioti. Questa tesi è sostenuta dal fatto che negli archeobatteri sono presenti chimismi simili a quelli degli eucarioti.

Procarioti

• Nella maggioranza dei casi si tratta di batteri eubacteria, ovvero batteri buoni.
• Recentemente, però, sono stati scoperti gli archeabacteria, organismi ancestrali rispetto agli eubacteria poiché non sono sviluppati tanto quanto questi ultimi.

I procarioti sono privi di nucleo, non hanno una membrana nucleare che contiene il materiale genetico, il DNA si organizza in una regione della cellula chiamata nucleoide. Le cellule procariotiche, ovvero quelle dei batteri, sono dotate di flagelli grazie ai quali riescono a muoversi nell’ambiente e sulle membrane esterne sono dotate di pili (sporgenze). Il loro materiale genetico è organizzato in:

• Filamenti (nucleoide)
• Plasmidi (anelli)

Nelle cellule batteriche sono presenti inoltre:

1. Ribosomi con un coefficiente di sedimentazione di 70 S che si trovano immersi nel citoplasma
2. Granuli di sostanze (lipidi, zuccheri ecc.)
3. Membrana cellulare attraversata da flagelli
4. Presentano una parete cellulare, chiamata mureina, costituita da peptidoglicano
5. Hanno un ulteriore rivestimento esterno, chiamato capsula, costituito da sostanze mucillaginose in grado di trattenere l’acqua. Lo scopo della capsula è quello di mantenere un ambiente interno più umido.

Membrana plasmatica, parete cellulare e capsula

Membrana plasmatica → Muro cellulare → Capsula.

Eucarioti

Le cellule eucariote si organizzano per formare organismi pluricellulari. All’interno di ogni cellula si trovano molti compartimenti delimitati da membrane. Il nucleo negli eucarioti è delimitato dalla membrana nucleare. Gli eucarioti possono essere funghi, piante o animali. Nelle cellule degli eucarioti avviene l'equilibrio idrico, ovvero l’acqua si regola, entrando e uscendo, a seconda delle necessità della cellula.

Gli eucarioti si sono formati casualmente dall’inglobazione per fagocitosi di due cellule procariote: la cellula procariote inserita nell’altra non riusciva ad essere digerita e per questo motivo, con il passare del tempo, i procarioti inseriti si sono trasformati in organelli specializzati alla respirazione (mitocondri) all’interno delle cellule procariote. In un secondo momento questi procarioti fagocitarono organelli capaci di fotosintesi (cloroplasti).

Gli eucarioti si dividono in animali e piante, la principale differenza è che mentre gli animali si muovono le piante no, sono rigide. Questa rigidità è causata dal fatto che la parete cellulare dei vegetali serve da sostegno e impalcatura.

Le cellule dei vegetali non sono tutte uguali tra loro, a seconda della funzione cambia anche l’aspetto morfologico e il contenuto:

• Un tessuto giovane di una pianta sarà caratterizzato da molte divisioni mitotiche, ed è chiamato meristema. Ci sono alcuni tessuti che rimangono giovani per tutta la vita della pianta.
• Ci sono tessuti di rivestimento:
• Parenchima: si trova nel midollo di un fusto e ha la funzione di riempire e avvolgere gli spazi
• Collenchima: si trova alla periferia dei fusti più spessi e serve per conferire maggiore resistenza.

Differenze tra procarioti ed eucarioti

Nei procarioti la parte più importante risiede nell’area nucleare, poiché è il materiale genetico grazie al quale le varie specie tramandano le proprie caratteristiche. Sia gli eucarioti che i procarioti hanno alcuni organelli in comune, come ad esempio il citoplasma o i ribosomi. In alcuni batteri la parete cellulare contiene una molecola chimica: il peptidoglicano che non è presente nelle cellule degli eucarioti. Il peptidoglicano è un polimero che costituisce uno strato della parete cellulare dei batteri ed è il principale responsabile della rigidità della cellula.

Funghi

I funghi fanno parte degli eucarioti e sono organismi eterotrofi, ovvero non compiono la fotosintesi. La loro organizzazione interna è simile a quella di tutte le altre cellule eucariote. I funghi possono essere unicellulari come ad esempio il lievito, o pluricellulari. Si moltiplicano molto velocemente e presentano una parete cellulare oltre alla membrana plasmatica; hanno nucleo dotato di membrana, ribosomi e mitocondri. Inoltre è presente un grosso vacuolo che ingloba tutti i vacuoli che possono formarsi all’interno della cellula. La parete cellulare è composta da chitina, un biopolimero tipico dello scheletro degli insetti. Per questo motivo funghi e alcuni animali, dal punto di vista filogenetico, hanno uno stesso progenitore. La chitina è sostenuta da filamenti di polisaccaridi che formano una rete.

Sistema di endomembrane delle cellule vegetali

Le cellule vegetali si contraddistinguono per:

• Forma poliedrica
• Grosso vacuolo
• Tipico colore verde delle cellule a contatto con l’ambiente esterno, dato dalla presenza dei cloroplasti. Le cellule che non compiono la fotosintesi hanno i cloroplasti trasformati in plastidi.

I principali organelli delle cellule vegetali sono:

• Nucleo
• Membrana plasmatica
• Parete cellulare che non è la membrana plasmatica, infatti presenta uno spessore superiore ed è meno selettiva della membrana plasmatica.
• Vacuolo che è limitato da una membrana selettiva chiamata tonoplasto; permette il passaggio di sostanze
• Apparato di Golgi
• Cloroplasti o plastidi che variano con l’età e la funzione della cellula. I plastidi sono presenti in tutte le cellule della pianta e diventano cloroplasti laddove si compie la fotosintesi; si differenziano anche in cromoplasti (colore) e leucoplasti (funzione di riserva).
• Mitocondri, sono più piccoli rispetto ai cloroplasti

Parete cellulare

La parete cellulare è un’unità morfo-funzionale che si trasforma nel tempo perché è soggetta ad apposizione di diversi strati che variano con l’età della cellula e con la funzione che la cellula avrà. Ogni parete cellulare è in contatto con le pareti circostanti; esistono pori presenti sulle pareti grazie ai quali le cellule riescono a scambiarsi sostanze e materiali. Questi pori vengono chiamati plasmodesmi. La parete cellulare vegetale è costituita da cellulosa, polimero complesso, che può essere digerita chimicamente; quando ciò avviene la parete perde la tipica forma a poliedro e diventa sferica perdendo la continuità con le altre. La cellulosa è un biopolimero del glucosio (formato da due molecole di glucosio). Il cellobiosio è l’unità funzionale della cellulosa. E' un dimero di β-1,4 glucosio. Quando si legano insieme più cellobiosi si forma una catena di cellulosa. Tante catene si uniscono tramite ponti a idrogeno formando microfibrille di cellulosa.

Microfibrille → Macrofibrille → Fibre di cellulosa

La cellulosa viene prodotta in proprio da ogni singola cellula, ognuna produce la cellulosa che andrà a costituire la propria parete cellulare. Questo processo di formazione avviene in un complesso multienzimatico intrinseco alla membrana plasmatica, chiamato rosetta. Ogni rosetta è formata da sei sfere che trapassano la membrana plasmatica e all’interno di ogni sfera sono contenute sei proteine, disposte anch’esse in modo concentrico (per evitare l’intreccio delle microfibrille), chiamate cellulosa sintasi e costituite da glucosiltranferasi. Ogni rosetta consta di 36 microfibrille. Le proteine che costituiscono le rosette sono differenti in base a che si trovino dalla parte citoplasmatica o dalla parte della parete cellulare. La sintesi della cellulosa parte dalla parte citoplasmatica in cui vengono trasportate al complesso della cellulosa sintasi sostanze zuccherine che dovranno poi essere sintetizzate. Una volta che sono state sintetizzate usciranno dalla parte della parete cellulare e si uniranno tramite legami covalenti (tra le singole molecole di glucosio) e legami a idrogeno (tra le microfibrille di cellulosa).

Funzioni della parete cellulare:

• Compartimenta e delimita
• Conduzione di acqua e soluti
• Comunicazione cellulare
• Riconoscimento cellulare, manda segnali in caso di patogeni, avviene la costruzione di un’ulteriore membrana.
• Controllo forma cellulare
• Deposito di sostanze

Composizione della parete cellulare: è un insieme di fibre di cellulosa immerse in polisaccaridi. Nel meristema, ovvero nelle cellule non ancora differenziate, la parete non è ancora rigida. Le fibre di cellulosa sono collegate da filamenti di emicellulosa, polisaccaridi organizzati in catene lineari di glucosio con ramificazioni laterali. Queste catene sono formate da diversi tipi di zuccheri (xilosio, galattosio e fruttosio). L’emicellulosa forma nella parete cellulare è disposta secondo delle reti; il tutto è immerso in una matrice liquida. [cellulosa 25%, emicellulosa 25%-45%]. Oltre alle fibre di emicellulosa sono presenti le pectine che connettono le fibre di cellulosa e le elastine che conferiscono elasticità alla parete.

Glicoproteine della parete cellulare

Le glicoproteine della parete cellulare hanno una funzione strutturale e formano legami covalenti con le emicellulose. Abbiamo principalmente due tipi di glicoproteine:

• Estensine: servono per l’estensione cellulare
• Lectine: hanno una funzione nel riconoscimento cellulare. Sono importanti, per questo motivo, quelle che entrano in contatto con il polline.

La matrice della parete cellulare è prodotta dall’apparato del Golgi; viene poi trasportata alla parete grazie al trasporto vescicolare:

RER → Golgi → Vescicole → Parete cellulare

Suddivisione della parete cellulare

Ogni cellula vegetale è formata da una combinazione di membrane che si susseguono. Dall’esterno all’interno abbiamo:

• Lamella mediana, costituita da elementi che tengono unite le cellule. Costituita prevalentemente da pectina, sostanze peptiche che si organizzano in pepctina
• Parete primaria
• Parete secondaria
• Membrana plasmatica

Più ci si dirige verso l’esterno più le pareti sono vecchie.

Lamella mediana

La lamella mediana è molto ricca di sostanze peptiche, è la parte più esterna della cellula ed è in contiguità con le cellule adiacenti. Le sostanze peptiche sono immerse in acqua e sono polisaccaridi ad alto peso molecolare che si formano in tutte le piante terrestri e alcune alghe. Le sostanze peptiche, quando sono solubili in acqua, sono chiamate pectine, quando non sono solubili vengono chiamate protopectine. Inoltre, sono una serie di controllo della qualità della parete cellulare e della sua porosità; in essa sono presenti composti che hanno un’azione contro i funghi patogeni: i biocibi che possono evitare l’attacco massiccio da parte di muffe e funghi. Quindi oltre a una funzione di collante, la lamella mediana ha funzione di difesa. Tra le lamelle mediane ci sono spazi intracellulari che contengono sostanze a cura della lamella stessa (mucillagine ecc..).

Parete primaria

La stratificazione della parete primaria può essere più o meno spessa e le fibrille possono essere orientate in modo diverso, questo serve a creare un effetto elastico. La parete primaria è nelle piante che hanno un accrescimento primario; in quelle che hanno un accrescimento secondario invece c’è una seconda parete, parete secondaria, che è presente nelle piante legnose. Anche la parete secondaria cambia nel tempo e può essere pluristratificata, il massimo sono 3 strati: S1 S2 e S3. Quando la parete cresce molto può soffocare gli organelli immersi nel citoplasma della cellula viva, quindi quando viene apposta la parete secondaria la cellula muore e la funzione della cellula è svolta dalla cellula morta; classico esempio: xilema (tubo che conduce l’acqua nelle piante, nella piante adulte lo xilema diventa legno).

La parete primaria è costituita da fibrille di cellulosa immerse nella matrice, ha una tessitura “dispersa” perché le fibrille sono orientate in modo diverso e questo crea una specie di maglia.

Funzioni:

• Permette alla cellula di acquisire una forma definita
• Protegge da danni ed infezioni causate da attacchi di batteri e funghi patogeni
• Protegge la cellula da shock omeostatici, regola e limita la quantità d’acqua che la cellula può assumere dall’ambiente esterno
• In alcuni tessuti conferisce resistenza e protezione
• Interviene in molti processi fisiologici

Accrescimento cellulare

La disposizione delle microfibrille nella parete primaria influenza l’accrescimento cellulare, è predittiva riguardo alla forma che la cellula assumerà: se le microfibrille sono disposte disordinatamente, in tutte le direzioni, l’espansione avverrà su tutti i lati e quindi la forma definitiva si avvicinerà alla forma sferica (situazione teorica perché non esistono microfibrille disposte tutte random). Questo tipo di crescita si chiama isotropica.

Se le microfibrille fossero tutte parallele, l’accrescimento avverrebbe in modo perpendicolare all’orientamento delle microfibrille (situazione teorica anche questa), questa crescita si chiama anisotropica. L’accrescimento cellulare si nota nelle gemme, formate da cellule giovani che appongono alla parete primaria nuove cellule in modo da poter avere l’accrescimento della foglia. Il processo di distensione è molto rapido, non ci vogliono dei mesi, bisogna avere temperatura e luce giusta. Questo accrescimento può avvenire nella parte epigea (ovvero all’aria) oppure ipogea (nelle radici).

Parete secondaria

Essa non è uguale dappertutto: ci sono alcuni tipi cellulari che terminano il differenziamento apponendo la parete secondaria tra la membrana plasmatica e la parete primaria. Lo spessore della parete secondaria varia tra 3 e...