Appunti Primo parziale: Produzioni animali e vegetali

Appunti primo parziale: Produzioni animali e vegetali

Introduzione alla produzione vegetale

Il primo parziale è introdotto dai professori Silvia Morgutti e Alberto Tamburini, focalizzandosi sulle produzioni vegetali. L’energia è necessaria per mantenere la vita, permettendo alle cellule di svolgere vari tipi di lavoro.

Nutrizione negli eterotrofi

Gli alimenti sono fondamentali, alcuni sono usati come materia prima, come le proteine, altri come carburante. Le altre attività includono la sintesi di strutture e materiali, la respirazione cellulare – un processo biologico di omeostasi di degradazione delle molecole, movimento di materiali dentro e fuori la cellula, accrescimento e sviluppo.

In ogni organismo vivente avvengono continuamente reazioni metaboliche. Alcuni degli alimenti introdotti con la nutrizione sono usati per sintetizzare i materiali necessari per le strutture cellulari, altri sono usati come carburante per la respirazione cellulare, un processo che libera l’energia accumulata nel cibo. Questa energia è necessaria per la sintesi e per altre forme di lavoro cellulare.

Differenze di metabolismo energetico

• Autotrofi: Produttori capaci di inserire in molecole organiche gli elementi presenti in composti inorganici semplici grazie a un utilizzo di energia che può essere di origine diversa e che nelle piante è rappresentata dalla luce (hv).

Quanto più un elemento è presente in forma ossidata, tanto è più povero di energia. Quanto più un elemento è presente in forma ridotta, tanto è più ricco di energia. Le piante sono organismi fotosintetici autotrofi, capaci di organificare oltre il carbonio anche l’azoto e lo zolfo.

1. I cloroplasti captano energia luminosa.
2. La CO₂ entra nella foglia attraverso gli stomi.
3. La foglia viene rifornita di sali minerali (NO₃, SO₄ e H₂O).
4. I fotosintati (prodotti della fotosintesi) lasciano la foglia tramite il floema.

• Eterotrofi: Consumatori hanno bisogno di ottenere energia dalla degradazione di molecole organiche ridotte, come ad esempio gli zuccheri (CH₂O)_n.

Piramide alimentare

Nel passaggio da un gradino all’altro della piramide, si verificano perdite di un ordine di grandezza, ovvero 10 volte di energia:

• Produttori: 1000 kCal
• Consumatori primari: 100 kCal
• Consumatori secondari: 10 kCal
• Consumatori terziari: 1 kCal

Le piante producono il 70% del fabbisogno proteico, mentre gli animali il 30%. Le proteine di origine vegetale provengono prevalentemente da semi.

Importanza degli organismi fotosintetici clorofilliani per l’evoluzione

I primi organismi evolutisi negli oceani primordiali erano eterotrofi; col passare del tempo le risorse organiche diminuirono selezionando l’evoluzione degli organismi autotrofi. L’impoverimento anche in sostanze inorganiche favorì lo spostamento verso le zone costiere più ricche di nutrienti portati dai fiumi. L’evoluzione favorì, negli organismi pluricellulari, la comparsa di strutture di ancoraggio alle rocce superficiali e di sostegno.

La successiva conquista della terraferma permise una fotosintesi più efficiente grazie alla migliore captazione di luce e CO₂. Fu necessario evolvere anche dei tessuti (tegumentali) atti a contrastare il pericolo della disidratazione e in questi tessuti, strutture atte a permettere una certa entità di scambi gassosi (stomi).

L’attività fotosintetica clorofilliana delle piante permise di arricchire di O₂ l’atmosfera della Terra e quindi:

• L’evoluzione di un metabolismo energetico degradativo (la respirazione) 20 volte più efficiente del metabolismo fermentativo nel recupero di energia, che permise anche l’evoluzione delle complesse cellule eucariotiche.
• La formazione negli strati alti dell’atmosfera di un guscio di ozono (O₃) capace di schermare i raggi UV potenzialmente letali.

Albero filogenetico degli organismi viventi

Procarioti: Eubacteria e Archaea

Eucarioti: Eukarya

Regni: Archeobatteri e Eubatteri

Regni: animali, funghi, piante e protisti

Eucarioti

Funghi: lieviti e funghi commestibili

Lieviti: importanti per processi produttivi quali panificazione e produzione di bevande alcooliche. Integratori alimentari (vitamine).

Funghi commestibili e tartufi:

• 2% di proteine
• 5% di carboidrati
• Minerali, specie K⁺. Nota: Cs⁺ (metallo pesante) viene spesso confuso con K⁺.
• Vitamine E, B e C (4 mg/100 g)

Alcune tossine fungine bloccano i meccanismi di sintesi del DNA. Ciò comporta la morte di molte specie cellulari ed il blocco della loro riproduzione. Il danno è grave in cellule intestinali, epatiche e renali. L’unica cura è il trapianto di fegato. Altre tossine micotiche sono neurotossiche. La cottura, il congelamento e l’essicazione non sono metodi sicuri per neutralizzare l’azione delle tossine.

Protisti fotosintetici

Comprendono diatomee, alghe unicellulari verdi, alghe brune, alghe rosse e alghe verdi.

Le alghe brune e rosse forniscono polisaccaridi complessi utilizzati con funzione di addensanti e stabilizzanti delle emulsioni (alginati, agar-agar, carragenani). Le alghe brune sono fonte di iodio, utile per ipotiroidismo, alginati, addensanti, attenuano lo stimolo della fame e ipocolesterolemizzanti. Le alghe rosse sono fonte di agar-agar, o carragenani, polisaccaridi idrofili, addensanti.

Le alghe verdi sono considerate progenitrici delle piante superiori per:

• Cellulosa nelle pareti
• Amido come sostanza di riserva
• Clorofilla a e b pigmenti fotosintetici
• Modalità di divisione cellulare (presenza del fragmoplasto)

Evoluzione delle piante

1. Antenati algali
2. Prime piante vascolarizzate – senza seme (felci)
3. Prime piante con semi (gimnosperme e angiosperme)

Piante vascolari: piante a seme Gimnosperme (seme nudo) e Angiosperme (seme in un vaso)

L’evoluzione del polline e del seme ha permesso:

• Di svincolarsi dall’ambiente acquatico per la riproduzione
• Di evolvere una struttura quiescente in quanto disidratata nella quale l’embrione è circondato da sostanze nutritizie di riserva e protetto da un tegumento: il seme. La pianta acquisisce la possibilità di disperdere la sua progenie nello spazio e nel tempo.

Il seme: è costituito da una parte embrionale (assile). Con il seme, la pianta, organismo sessile, ha acquisito la capacità di inviare la propria progenie a conquistare nuovi territori. La condizione di quiescienza, ottenuta tramite la disidratazione delle strutture, permette di dilazionare tale azione nel tempo, in attesa che si verifichino condizioni ambientali favorevoli. Le stesse caratteristiche hanno reso il seme prezioso per lo sviluppo della civiltà umana: riserva di cibo non deperibile e premessa di un nuovo raccolto.

Gimnosperme: il seme è portato sulla superficie di foglie o fusti modificati. Ad esempio, le conifere, ginepro, pino.

Angiosperme: si suddividono in monocotiledoni e dicotiledoni. La distinzione si basa sulla presenza di una sola o di due foglioline embrionali.

Chimica della vita: C, H, O, N

Elemento: sostanza pura che contiene un solo tipo di atomi.

Atomo: è una particella elementare, costituita da un nucleo centrale dove vi sono i protoni (carichi +) e i neutroni (carica neutra), mentre all’esterno del nucleo vi sono gli elettroni (carichi -).

Il numero di protoni definisce il numero atomico (Z).

Il numero di protoni + il numero di neutroni definisce il numero di massa (A).

In ogni atomo allo stato fondamentale, il numero dei protoni è uguale al numero di elettroni, cosicché l’atomo ha carica netta pari a 0 ovvero è neutro.

Orbitali atomici: regioni dello spazio intorno al nucleo dove è più probabile trovare gli elettroni. Queste regioni sono definite da un preciso livello energetico. Quanto più un orbitale è lontano dal nucleo, tanto più elevato è il suo livello energetico. Un livello energetico può essere formato da uno o più orbitali. Gli orbitali vengono rappresentati come una nube elettronica.

Il primo livello energetico ha un unico orbitale sferico (1s) che può contenere al massimo due elettroni.

Il secondo livello energetico ha quattro orbitali: uno sferico (2s) e tre a doppia clava (2p) perpendicolari l’uno rispetto all’altro. L’orbitale 2s più i tre orbitali 2p formano un guscio di valenza completo contenente 8 elettroni. Quando il livello energetico più esterno di un atomo è completo, l’atomo è stabile (inerte). L’atomo però tende a completare il guscio di valenza, quindi se questo non è completo l’atomo è reattivo.

L’atomo tende a cedere, acquistare o mettere in compartecipazione elettroni fino a completare il livello energetico più esterno.

• Se gli elettroni vengono acquistati o ceduti si formerà uno ione.
• Se gli elettroni vengono posti in compartecipazione fra due o più atomi, si genererà un legame covalente oppure si formerà una molecola.

Il legame covalente può interessare atomi sia uguali (H₂ o O₂) sia diversi (H₂O). Il numero di legami covalenti che un atomo può formare dipende da quanti elettroni gli mancano per completare il livello energetico più esterno mettendo in compartecipazione elettroni.

Quando 2 o più atomi si uniscono con uno o più legami covalenti mettendo in compartecipazione una o più coppie di elettroni formano entità più grandi: le molecole. Si formano quindi degli orbitali molecolari di geometria specifica. Nel legame singolo tale geometria permette agli atomi interessati di ruotare attorno all’asse del legame. Il legame doppio è invece planare. Ciò determina punti di rigidità in una molecola.

Massa molecolare: somma dei pesi atomici di tutti gli atomi che compongono una molecola.

Mole: quantità in grammi pari alla massa molecolare di una sostanza. 1 mole di sostanza contiene un numero di Avogadro di molecole (6,022 × 10²³).

Molarità: peso del soluto (g) / peso molecolare del soluto oppure 1 mole di soluto in 1000 mL di soluzione.

Elettronegatività

I nuclei di atomi di elementi diversi presentano diversa capacità di attrarre a sé gli elettroni di legame. In una scala da 0.7 a 4:

• Elementi molto elettronegativi sono F, Cl, Br, O, N
• Elementi mediamente elettronegativi sono C e H
• Elementi poco elettronegativi sono K, Na, Ca

Composti polari

Quando atomi di elementi diversi con diversa elettronegatività impegnano i propri elettroni in un legame covalente, gli elettroni tenderanno a passare più tempo nelle vicinanze del nucleo più elettronegativo. Il legame sarà covalente polare e la molecola sarà polare (dotato di parziale carica elettrica). H₂O è polare, mentre i lipidi sono apolari, ovvero non si sciolgono in H₂O.

La polarità di una porzione di molecola nasce anche dalla presenza di elettroni liberi (non impegnati in legami covalenti) situati nel guscio energetico più esterno di un atomo (come nel caso di N e O). Questi elettroni liberi genereranno nella molecola una zona negativa che respinge gli altri elettroni rendendo asimmetrici gli altri legami, e quindi genereranno zone di parziale squilibrio elettrico.

Legame a idrogeno

Poiché cariche elettriche di segno opposto si attraggono e cariche elettriche dello stesso segno si respingono, l’esistenza di composti polari è il presupposto perché si formino interazioni elettrostatiche fra molecole diverse o porzioni di molecole diverse con cariche elettriche parziali di stesso segno.

Esempio: H₂O e NH₃ oppure si creano nelle macromolecole per stabilizzarle. Tutte le molecole polari che sono capaci di formare legami H con l’H₂O sono idrofiliche e se a basso peso molecolare sono solubili in essa. Il simile scioglie il simile.

Infatti i carboidrati, ricchi di gruppi polari ossidrile (OH), sono solubili in acqua se a basso peso molecolare (saccarosio). Se invece costituiscono residui contenuti in macromolecole ad alto peso molecolare e quindi insolubili sono idrofilici (amido, cellulosa): tendono cioè a legare H₂O.

Legame ionico

Atomo di Na (11 protoni ed elettroni) Atomo di Cl (17 protoni ed elettroni). I nuclei di Na e Cl hanno grande differenza di elettronegatività (>1,7) quindi il Na cede un elettrone al Cl perché così completa il proprio guscio elettronico più esterno e ottiene una situazione energeticamente stabile. Lo stesso accade al Cl quando strappa un elettrone al Na per completare il proprio guscio elettronico più esterno.

Quindi il Na acquisisce una carica netta + (catione) ed il Cl una carica netta – (anione). Il catione Na risulterà attratto dall’anione Cl e formerà il sale NaCl nel quale gli ioni sono disposti in un reticolo cristallino.

Gli ioni e la loro solubilità in H₂O: L’acqua, che è un dipolo elettrico, interagisce con gli ioni e li solvata, schermandone le cariche. Gli ioni di carica opposta non si attirano più e il reticolo cristallino del sale si scioglie in acqua.

Molecole apolari

Se invece nel legame covalente sono impegnati:

• Atomi di elementi uguali
• Atomi di elementi diversi con elettronegatività simile (C e H)
• La molecola è simmetrica (CO₂)

Gli elettroni saranno equamente impegnati fra i due nuclei, ed il legame non sarà sbilanciato dal punto di vista elettrico. La molecola sarà apolare. Le molecole apolari sono idrofobiche e non si sciolgono nell’acqua ma la respingono. In acqua formano emulsioni instabili, ma si sciolgono nei solventi apolari (smacchiatori).

Esempio: Le cere, che ricoprono l’epidermide di molti frutti, sono miscugli di molecole formate essenzialmente da C e H; sono quindi sostanze idrofobiche e idrorepellenti.

Molecole anfipatiche

Molecole che per una porzione sono polari e per una porzione apolari. Hanno una doppia affinità sia per l’acqua sia per solventi apolari. In acqua formano micelle, con la testa idrofilica esposta all’esterno. Il contrario accade in un solvente organico.

Le sostanze anfipatiche sono adatte a stabilizzare le emulsioni (lipidi in ambiente acquoso; fosfolipidi). Esse sono anche atte a formare, se disposte in doppio strato, strati di separazione fra due ambienti acquosi o a formare “liposomi” (acqua-doppio strato-acqua).

Forza dei diversi legami chimici

I legami del carbonio: L’assetto elettronico del C gli permette di formare legami singoli, doppi, tripli, formando molecole di forma svariata e quindi di grande versatilità chimica.

I gruppi funzionali

Asimmetria degli atomi di carbonio

Se un atomo di C è legato a 4 sostituenti diversi, diventa asimmetrico.

L'H₂O è importante per la fisiologia delle cellule

L’H₂O rappresenta la fase disperdente di tutti i fluidi cellulari e, negli animali, interstiziali. Per le cellule vegetali un suo adeguato rifornimento è essenziale per:

• Il mantenimento del turgore cellulare,
• La crescita per distensione,
• La regolazione di apertura/chiusura stomi,
• L’orientamento delle foglie,
• Fenomeni di movimento di organi.

H₂O e proprietà: poiché l’acqua è una molecola polare, ha la capacità di interagire con molecole polari o cariche, portandole in soluzione (se di basso PM) o idratandole (se di alto PM). Il guscio di solvatazione formato dalle molecole di acqua attorno agli ioni ne scherma le cariche elettriche, diminuendo la capacità di attrarsi a vicenda. Le sostanze polari si sciolgono in acqua perché instaurano con essa delle interazioni (legami H). Queste interazioni diminuiscono la libertà delle molecole di acqua di muoversi, quindi ne diminuiscono l’attività; ciò è alla base dei fenomeni osmotici che interessano le soluzioni.

H₂O e legami idrogeno: coesione e adesione

Coesione: capacità di formare legami H fra molecole di H₂O.

Adesione: capacità di formare legami H fra molecole di H₂O e macromolecole dotate di gruppi polari, come la cellulosa o l’amido (capacità di bagnare” o idratare, determinando il rigonfiamento). L’acqua può quindi essere immaginata come un sistema continuo, nel quale le singole molecole sono legate l’una all’altra. Nelle piante, i vasi conduttori dello xilema costituiscono un sistema idraulico di calibro molto piccolo, nel quale le “colonnine” continue di acqua sono sottoposte ad una pressione negativa che si origina dall’evaporazione a livello delle foglie. Ciò fa sì che l’acqua venga aspirata verso l’alto vincendo la forza di gravità e raggiungendo la chioma. Un piccolo contributo viene fornito anche dall’adesione.

I legami a idrogeno: tensione superficiale

I legami a idrogeno tra le molecole di acqua sono responsabili della tensione superficiale che è abbastanza forte da sostenere ad esempio animali acquatici. Le gocce d’acqua hanno forma sferica perché le molecole di acqua alla superficie interagiscono fortemente tra di loro.