Appunti di Botanica con immagini (parte 1)

Introduzione alla botanica

La botanica è la scienza che studia gli organismi vegetali. La botanica non si occupa solo di esseri viventi autotrofi; infatti, non tutte le piante sono autotrofe, cioè si producono nutrimento da sole. Ci sono anche piante parassite, prive anche di clorofilla, come la Cuscuta: ha fusticini lunghi che si avvolgono strettamente alle foglie e ai fusti di altre specie a spese delle quali vivono sottraendo loro acqua e alimenti mediante speciali organi succhianti (gli austori). Oppure le Orobanche, altre piante parassite senza clorofilla che assumono sostanze e acqua dalla pianta ospite che parassitano.

Organismo autotrofo o eterotrofo: gli autotrofi sintetizzano la materia organica a partire da quella inorganica, gli eterotrofi non sono in grado di sintetizzare la materia organica.

La botanica si occupa anche di licheni e funghi, e include lo studio delle alghe e dei batteri associati e i cianobatteri, ecc. I cianobatteri sono organismi procarioti, i più antichi fossili (circa 3,5 miliardi di anni). Si sa che la terra ha avuto origine circa 4,6 miliardi di anni fa, poi 3,8 miliardi di anni fa c’è stata la caduta di asteroidi con creazioni di gas, ecc. e si sono creati questi cianobatteri. Questi hanno preso la CO₂ e l’hanno fissata liberando ossigeno e convertendola in carbonato di calcio e di magnesio. L’ossigeno liberato ha formato lo strato di ozono (O₃) che ci protegge dai raggi UV. Questo strato di ozono ha permesso lo sviluppo di altre forme di vita. Infatti, poi un miliardo di anni dopo sono comparsi gli eucarioti.

Procarioti ed eucarioti

Procarioti ed eucarioti sono i due super regni, poi divisi in 7 regni. Differenze tra eucarioti e procarioti:

• La cellula procariotica è più piccola (0.5-1 micron), il DNA è libero nel citoplasma e la divisione cellulare è di tipo scissione binaria.
• La cellula eucariotica: DNA nell’involucro nucleare, divisione più grande (10-100 micron) e c’è la presenza di organuli intracellulari rivestiti da membrana. Cloroplasto e mitocondrio hanno doppia membrana. Molecole di DNA organizzate in cromosomi. Divisione cellulare per mitosi o meiosi.

Discipline botaniche

Le discipline botaniche includono:

• Botanica sistematica (classificazione degli organismi)
• Citologia e istologia vegetale
• Fisiologia vegetale (fenomeni e meccanismi associati alle funzioni vegetali)
• Biotecnologie botaniche
• Etologia vegetale (comportamento delle piante)
• Palinologia (studio dei pollini e delle spore attuali e fossili)
• Paleobotanica (evoluzione delle piante studiata mediante l’analisi dei fossili)
• Ecologia vegetale (relazioni tra le piante e l’ambiente)
• Patologia vegetale (studia i patogeni che infettano le piante)
• Etnobotanica (si occupa dell’uso e della percezione delle specie vegetali all’interno di una o più società umane)

Importanza delle piante

La fotosintesi:

6CO₂ + 6H₂O + energia solare → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Dalla quale si forma materia organica e viene rilasciato ossigeno. Il glucosio prodotto può essere ossidato tramite respirazione cellulare per ricavare ATP, usato per costruire strutture molecolari come la parete cellulare o utilizzato come precursore per la biosintesi di tutte le molecole organiche di cui la pianta/organismi autotrofi hanno bisogno (proteine, lipidi ecc). La fotosintesi è indispensabile perché grazie a questa, all’ossigeno, si è formato lo strato di ozono per proteggere e preservare la vita sulla terra fermando le radiazioni UVC e facendo passare solo parte degli UVB e degli UVA.

Domesticazione delle piante

10mila anni fa, nell’area geografica tra i fiumi Tigri ed Eufrate per la prima volta l’uomo iniziò a coltivare le piante. La teoria migliore è che sia iniziata indipendentemente in almeno 11 regioni diverse del mondo. Un esempio può essere il mais, che da selvatico è diventato la pianta di mais odierna, quella domestica. I prodotti di origine vegetale sono fondamentali poiché sono ovunque, addirittura nella coca cola! Quindi, senza le piante di base moriremmo di fame. Ogni tipo di pianta diversa ha valori nutrizionali diversi e sono alla base dell’alimentazione umana.

Le piante sono inoltre fonti importanti per la produzione di materiali tessili o fibre, anche in edilizia per lo sfrenato uso di legno. Sono usate per produrre medicinali, ed è stato scoperto che questo uso avveniva già in antichità.

A Firenze, alla manifattura tabacchi, c’è la Fabbrica dell’Aria, dove le piante vengono usate per purificare l’aria, così si è scoperto che si riduce il rischio di emicrania, irritazione agli occhi o vari tipi di problemi respiratori.

La cellula vegetale

Arabidopsis è una pianta modello che si usa in laboratorio che ha un sacco di geni ortologhi. Ha dato inizio a scoperte come i geni CRY1 e CRY2 per i criptocromi, per il mantenimento del ritmo circadiano. Dopo averli studiati sulle piante hanno iniziato gli studi sull’uomo. Tutto ciò perché la cellula animale e vegetale hanno un sacco di cose in comune.

Paraplegia spastica è una malattia neurodegenerativa (piede deformato es.) che interessa in particolare il midollo spinale e il cervelletto; può manifestarsi durante l’infanzia oppure nell’età adulta. È stata scoperta e studiata mediante, appunto, piante. Nel mutante la radice è cortissima e i peli sono molto più corti. Nel dettaglio, il reticolo endoplasmatico mentre nelle cellule normali è ben distribuito, nel mutante è completamente frammentato e distorto. I tubuli sono aggregati tra di loro, non c’è distribuzione specifica.

Sistema di classificazione degli organismi

Inizia con Ippocrate di Coo nel 460 a.C. e poi con Aristotele nel 384-322 a.C. Poi rivoluzionato da Carl von Linné (1707-1778), che poi ha dettato le basi della classificazione odierna. Importante la struttura del sistema tassonomico:

• Dominio, (es: eucariote)
• Regno, (es: piante)
• Phylum
• Classe
• Ordine
• Famiglia
• Genere
• Specie

Al di sotto della specie sono riconosciuti tre possibili ranghi intraspecifici: la sottospecie, la varietà e la forma. Solo la sottospecie viene utilizzata negli studi sistematici.

Lezione 2

Geni trovati nella stessa specie che si originano da un evento comune sono detti omologhi. Se invece i geni si sono trovati in due specie differenti che però hanno una sequenza in comune si dicono ortologhi. Si definiscono ortologhi geni di specie diverse che si sono evoluti da un gene ancestrale comune mediante speciazione; in genere gli ortologhi conservano la medesima funzione nell’evoluzione. Si definiscono paraloghi i geni originatisi per duplicazione nel genoma di una stessa specie.

La cellula vegetale

Il termine cellula nasce in ambito vegetale ed è stato successivamente esteso agli altri organismi. Fu un fisico inglese del XVII secolo, Robert Hooke, che nel 1665, osservando una sottile scheggia di sughero con un microscopio di sua invenzione, si accorse che essa appariva composta da tante piccole celle (in latino, cellulae) affiancate, delimitate da una parete sottile e resistente.

Per studiare vari tipi di cellule abbiamo bisogno di vari tipi di microscopi: con il microscopio confocale possiamo vedere cloroplasti, mitocondri e alcuni batteri. Ha un potere risolutivo di 200nm. La cellula vegetale solitamente è più grande rispetto ad una cellula animale: vanno dai 100 ai 150 micron. Il microscopio migliore a livello di potere risolutivo è il microscopio elettronico a trasmissione.

Nelle piante la distinzione tra RER e REL non è netta, perché il reticolo ha i ribosomi addossati sulla membrana del RE ed è difficile distinguere i due RE. Il RE inoltre non è un organulo separato, ma è un network che si espande in tutto il volume cellulare e non si interrompe mai. Il RE passa da una cellula all’altra attraverso i plasmodesmi.

Il vacuolo occupa quasi il 90% del volume cellulare. Il citoplasma delimitato esternamente dalla membrana plasmatica comprende il citosol e gli organuli cellulari escluso il nucleo. Tutto ciò tra il nucleo e la membrana plasmatica è citoplasma.

Il citosol è una soluzione colloidale costituita da acqua, ioni, lipidi, proteine enzimatiche e strutturali, zuccheri, nucleotidi ed ormoni. Inoltre, nel citosol sono presenti RNA, ribosomi e gli elementi del citoscheletro. Quindi tutto ciò che fa parte del citoplasma a parte gli organuli cellulari.

Il citoplasma invece comprende anche il citosol e tutti gli organuli cellulari escluso il nucleo e i vacuoli.

Apoplasto

(pareti cellulari e spazi intercellulari): tutto ciò che sta al di là della membrana plasmatica, quindi la parete cellulare che costituisce appunto l’apoplasto. La parete cellulare: abbiamo due cellule vicine tra loro. La lamella mediana è la parte di parete iniziale, che si è formata prima. Poi abbiamo la parete primaria e poi la parete secondaria che è quella di ultima apposizione. Quindi la parete cellulare è formata da questi 3 strati.

Plasmodesmi

All’interno dei plasmodesmi passa il RE, tra due cellule.

Membrana plasmatica

Doppio strato di fosfolipidi, in cui si trovano delle proteine periferiche o integrali, che a volte possono avere legami con i polisaccaridi di parete e quindi le proteine rimangono immobili in una posizione; questo è molto importante, per esempio, se si hanno canali che devono rimanere fissi in una posizione.

Vacuolo

FM4-64 è un marcatore che si stabilizza sul tonoplasto (la membrana del vacuolo). Il Neutral Red invece è un colorante che si va a stabilizzare nel lume del vacuolo, è pH dipendente e stabilisce l’acidità della cellula. La mezzaluna nera nell’immagine è il nucleo, perché esclude il marcatore fluorescente in quella zona.

Reticolo endoplasmatico

La sede dove vengono sintetizzate tutte le proteine che poi vengono immagazzinate nel vacuolo.

Apparato del Golgi

Ci sono più Golgi all’interno di una cellula vegetale; abbiamo 3 tipi di cisterne: cis, medial e trans. E non è detto che ci siano una di ognuna, per esempi di Medial ce ne possono essere più di una. C’è anche il Trans Golgi Network. Quindi ci sono 3 tipi di cisterne, ma non di numero. Nella cellula animale si ha invece un unico grande Golgi (solitamente) con sempre le 3 cisterne diverse. Il lievito invece ha le cisterne che non sono legate tra di loro; quindi, possiamo trovare le 3 cisterne ma sparse all’interno della cellula. Il movimento del Golgi avviene grazie a un sistema di microtubuli di actina e miosina, con delle proteine che muovono gli organuli.

Mitocondri

Organelli delle cellule eucariotiche coinvolti nel consumo cellulare di ossigeno ed associati a processi di conservazione dell’energia sotto forma di molecole di ATP. Forniscono vari composti come gli acidi organici e gli amminoacidi che vengono utilizzati nelle reazioni sintetiche di tutta la cellula. Anche questi si muovono.

Perossisomi

Grazie alla catalasi (una reazione: 2H₂O₂ → O₂ + H₂O) previene l’avvelenamento della cellula perché catalizza la reazione e il perossido di idrogeno viene convertito in ossigeno e acqua. Ci sono diversi tipi di perossisomi:

• Perossisomi fogliari, caratteristici degli organi fotosintetici
• Gliossisomi, presenti nelle cellule dei semi oleaginosi
• Uricosomi, presenti nelle cellule dei noduli delle radici delle leguminose, altamente specializzati nell’ossidazione delle purine
• Perossisomi non specializzati con funzioni incerte

Il perossisoma ha un doppio strato di fosfolipidi, e una zona interna chiamata nucleoide.

Plastidi

Tutti i plastidi originano dai proplastidi.

Ribosomi

Ogni compartimento subcellulare in cui avviene la sintesi proteica ha i propri ribosomi, perciò esistono 3 tipi di ribosomi: ribosomi citoplasmatici, ribosomi plastidiali e ribosomi mitocondriali. Ci sono delle differenze sulle diverse subunità: nel citoplasma si hanno ribosomi 80S, composti da subunità di 40 e 60. Plastidi e mitocondri hanno ribosomi 70S, con subunità di 30 e 50.

Parete cellulare

La parete cellulare è presente nella maggior parte dei procarioti, in tutti i funghi, numerosi protisti (organismi eucarioti che si possono considerare non appartenenti ai regni animali, piante o funghi) e tutte le piante.

Peptidoglicano

Il peptidoglicano (anche detto mureina) è la sostanza presente nella parete cellulare dei procarioti. Ci sono delle differenze tra gram-negativi e gram-positivi:

• I gram-negativi hanno la membrana interna, lo spazio periplasmico, poi il peptidoglicano, un altro spazio periplasmico e la membrana esterna.
• Nei gram-positivi invece si ha la membrana interna, lo spazio periplasmico e il peptidoglicano.

Il peptidoglicano è formato da delle catene di zuccheri tenute tra di loro da dei ponti peptidici. I funghi invece hanno la parete cellulare composta da chitina. La chitina è un polisaccaride costituito da residui di N-acetilglucosammina. La chitina è molto importante perché tramite un processo di deacetilazione viene prodotto il chitosan che ha numerosi impieghi: recentemente è stato utilizzato per costruire le cellule dei pannelli fotovoltaici, bioplastiche, industria cosmetica.

Parete cellulare delle alghe

Nelle microalghe la parete cellulare può mancare o essere sostituita da diversi involucri. Le macroalghe possiedono la parete cellulare composta da polisaccaridi. Come nelle piante è composta da una componente fibrillare immersa in una matrice amorfa. Talvolta la parete può essere impregnata di carbonato di calcio.

Parete cellulare delle piante

La parete cellulare delle piante è costituita da una componente fibrillare cellulosica e da una componente matriciale polisaccaridica e proteica. La componente fibrillare è costituita da cellulosa, un polimero del glucosio. Le singole unità di glucosio formano catene lunghe fino a qualche migliaio di residui dell’unità di base, il cellobiosio; nella fase di matrice invece possiamo trovarci emicellulose, pectine, acqua, proteine (sia con funzione strutturale che enzimatica).

Il cellobiosio rappresenta l’unità fondamentale della cellula ed è un dimero, costituito da due molecole beta-D di glucosio unite da legame 1 → 4. Ogni polimero è legato all’altro attraverso legami a idrogeno. Fase matriciale abbiamo invece emicellulose e pectine. Le due componenti vengono estratte in modi diversi dalla parete:

• Le emicellulose fanno collegamenti crociati tra le fibrille di cellulosa e conferiscono la forza portante della parete. Vengono estratte con soluzione alcalina.
• Le pectine invece sono i polisaccaridi più complessi, ricchi in acido galatturonico e conferiscono plasticità alla parete. Vengono estratte con soluzioni acide calde o agenti chelanti dello ione Ca²⁺.

Principali emicellulose

• Xiloglucano: scheletro di B-1, 4-o-glucano con ramificazioni di xilosio.
• Arabinoxilano: scheletro di B-(1, 4)-D-xilano con ramificazioni di arabinosio e di acido glucuronico.

Principali pectine

• Ramnogalatturonano 1 e Ramnogalatturonano 2: residui di acido galatturonico e ramnosio che si alternano.
• Omogalatturonano: catena di residui di acido galatturonico.
• Xilogalatturonano: catena lineare di residui di acido galatturonico con ramificazioni di xilosio.
• Arabinani: catene di arabinosio.
• Arabinogalattano 1: scheletro di B-(1,4)-o-galattano con ramificazioni di arabinosio.

Le pectine sono in grado di formare gel, e trovano largo impiego nell’industria alimentare, farmaceutica e cosmetica.

Come si forma il gel? Formazione di ponti di borato tra residui di apiosio e molecole adiacenti di ramnogalatturonani 2. Si formano delle interazioni elettrostatiche tra gruppi carbossilici dei galatturonani e lo ione Ca²⁺ o Mg²⁺ che si alternano così da stabilizzare la struttura.

Proteine della fase matriciale

Le proteine possono essere strutturali o con attività enzimatica.

• Strutturali: sono glicoproteine che vengono secrete subito dopo un attacco patogeno per stabilizzare i ponti tra i diversi polisaccaridi di parete. Appena secrete sono relativamente solubili e diventano sempre più insolubili durante la maturazione cellulare o a seguito di ferite e attacco di patogeni.
• Con attività enzimatica:
  • Laccasi e perossidasi: intervengono durante le infezioni da patogeni, attivano i monomeri radicali di monolignoli così da formare lignina. Andando ad apporre lignina nella parete e creare una barriera contro i patogeni perché le molecole di lignina vanno ad intercalarsi tra i polisaccaridi e quindi i patogeni che cercano di degradare la parete non ci riescono perché i polisaccaridi sono protetti dalle molecole di lignina. Laccasi e perossidasi usano substrati quali perossido di idrogeno (H₂O₂) e O₂.
  • Espansine: importanti durante l’espansione cellulare;
  • Pectinasi, cellulasi e emicellulasi: enzimi idrolitici per la degradazione dei legami dei polisaccaridi di parete.

Le proteine strutturali sono generalmente glicosilate (glicoproteine) e appartengono a 4 gruppi caratterizzati da sequenze amminoacidiche altamente ripetute: HRGP, PRP, GRP e AGP.

• HRGP= Hydroxyprolin Rich Glyco Proteins
• PRP= Proline Rich Proteins
• GRP= Glycine Rich Proteins
• AGP= Arabino Galattan Proteins

Quali sono le proteine che vanno a stabilizzare i legami tra i polisaccaridi di parete? Glicoproteine.

Fenoli

Appartengono alla classe dei fenilpropanoidi e sono i costituenti base della lignina. Vengono sintetizzati a partire dagli amminoacidi aromatici fenilalanina e, nelle graminacee, anche dalla tirosina.

Biosintesi della cellulosa

Viene sintetizzata a livello della membrana plasmatica.