Biologia e botanica

ELEMENTI DI BIOLOGIA E BOTANICA AGRARIA

Le piante sono eucarioti pluricellulari e quindi studiandone la cellula di fatto studiamo meccanismi

di base comuni a tutte le cellule eucariotiche.

Gli organismi viventi hanno delle caratteristiche speci che perchè sono organizzati, mantengono

un ambiente interno costante (omeostasi), rispondono agli stimoli, sono adattati al loro ambiente e

mantengono la capacità potenziale di riproduzione, accrescimento e sviluppo.

I viventi sono composti principalmente da: carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo (97-99%).

Legami

Sono le forze che uniscono gli atomi costituenti una molecola. Tutti i legami sono di natura

elettrica e dipendono dalla con gurazione elettronica degli atomi interessati. I principali sono:

- covalenti

- ionico

- metallico

- idrogeno

- forze di Van del Waals

I composti del carbonio (organici) possono essere semplici (idrocarburi alifatici) o composti

(aromatici che hanno struttura ad anello). Carbonio può fare 4 legami grazie ad ibridazione sp3.

Gli isomeri sono composti con identica formula grezza che possono avere struttura spaziale e

comportamento di erente. Ci sono tre tipi di isomeria: di legame o posizione, stereoisomeria e

isomeria ottica.

L’acqua costituisce più del 50% della materia vivente, e più del 90% dei tessuti vegetali. È una

molecola polare che scioglie solo i suoi simili. È il solvente in cui avvengono le reazioni

biochimiche e interagisce con i lipidi (e azione idrofobica) a favore dell’integrità delle membrane.

Funzioni acqua nelle piante:

- elettroni fotosintesi

dall’acqua le piante prendono gli per svolgere la

- il movimento dei nutrienti dipende dall’evapo-traspirazione a livello delle foglie

- l’acqua serve a creare la pressione di turgore per permettere lo sviluppo di nuovi tessuti e per

mantenerne la forma MACROMOLECOLE ORGANICHE

Sono molecole di grandi dimensioni costituite da centinaia o migliaia di atomi. Sono costituite da

catene ripetitive di monomeri, che mediante legami covalenti si uniscono generando polimeri.

LIPIDI insolubili in acqua

Sono gruppo eterogeneo (monomeri non tutti uguali). Sono poichè non hanno

parziali cariche separate come l’acqua perchè hanno legami covalenti apolari. Servono per

struttura delle membrane cellulari

immagazzinare energia. Contribuiscono alla (fosfolipidi) vengono

depositati esternamente alla parete (suberina e cere).

Si possono chiamare oli o grassi: oli sono liquidi a temperatura ambiente, i grassi invece sono

solidi a temperatura ambiente.

acidi grassi gruppo carbossilico,

Gli sono formati da lunghe catene di atomi di C con un unico trigliceride.

esteri cato da un gruppo alcolico del glicerolo

questo viene e così si costituisce un Di

solito il trigliceride ha tre gruppi diversi se no al massimo due uguali. Quando si hanno legami

singoli tra acidi grassi la catena è lineare mentre quando sono doppi si hanno dei ripiegamenti. La

saturazione e la lunghezza della catena conferisce delle caratteristiche molto diverse: temperatura

saturi

di fusione, presenza di doppi legami e numero di atomi di C. Si dicono quando non sono

insaturi

presenti doppi legami e di solito sono solidi, invece presentano doppi legami e a

monoinsaturi

temperatura ambiente sono liquidi. In base al punto di fusione distinguiamo i (un

poliinsaturi

solo doppio legame) e (con due o più doppi legami). Gli acidi grassi insaturi sono più

presenti nei vegetali mentre quelli saturi negli animali. Gli oli nei plastidi si trovano principalmente

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in plastidi detti elaioplasti. Negli animali abbiamo adipociti che sono piene di trigliceridi e servono

come riserva e svolgono la termoregolazione.

fosfolipidi

I formano le membrane cellulari (doppio strato fosfolipidico) e

sono costituiti da una unità di glicerolo cui sono legati 2 acidi grassi e 1

an patici:

molecola contenente fosfato. Sono presentano una testa idro la

(gruppo fosforico) e una coda idrofoba (catene di acidi grassi).

Liposomi sono doppi strati molecolari che tendono a chiudersi su se stessi originando vescicole

che separano interno da esterno.

Glicolipidi sono molecole antipatiche come i fosfolipidi, ma presenti in percentuali minori nei

zucchero legato ad un

tessuti si animali sia vegetali. Si di erenziano dai fosfolipidi per avere uno

gruppo alcolico del glicerolo in sostituzione del gruppo fosforico. Essi abbondano nelle membrane

dei cloroplasti delle piante superiori.

cutina suberina esterne delle pareti cellulari vegetali

La e sono componenti e formano le matrici

cutina

in cui sono racchiuse le cere. La è un polimero costituito da due gruppi di acidi grassi, uno

con 16 atomi di C ed uno con 18 atomi di C collegati con legami estere tra gruppi ossidrilici e

suberina

carbossilici a formare una struttura reticolare. La è una miscela di acidi grassi a lunga

catena, acidi grassi ossidrilati, acidi bicarbossilici, alcooli a lunga catena (>16C) e composti

fenolici che legano una struttura reticolare della suberina alla parete. La porzione lipidica della

suberina ne rappresenta circa il 50%. Cutina, cere e suberina sono localizzate sulle pareti cellulari

e hanno una funzione strutturale e protettiva (prevengono la dispersione di acqua).

cere

Le sono sostanze idrorepellenti e protettive. Sono costituite da un grasso saturo e alcooli

legati da legame estere a formare lunghe catene.

Composti secondari

Isoprenoidi,

1. sono polimeri dell’isoprene o dei suoi derivati. Importanti sono gli sterili come

colesterolo (nella membrana plasmatica animale), sitosterolo e l’ergosterolo in alcuni funghi.

Ormoni vegetali

2. come le gibberelline.

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Carotenoidi,

3. sono polimeri insolubili in acqua ma facilmente solubili in alcool e in diversi

solventi organici. I più noti sono il beta-carotene, che conferisce colore arancio alle radici di

alcune varietà di carota, il licopene, che colora di rosso il pomodoro, e la luteina, una xanto lla

presente in quasi tutte le foglie. Si localizzano nei cromoplasti.

Oli essenziali,

4. i loro principali costituenti sono i terpeni. Canfora, limonene e mentolo sono i

più noti. Un olio essenziale assai noto è la trementina, estratta da diverse specie di Pinus e ha

la funzione difensiva nei confronti di alcuni insetti.

Gomma,

5. il più grande isoprenoide. È presente nel lattice e la sua funzione naturale è collegata

alla difesa contro gli attacchi di alcuni parassiti e degli erbivori.

CARBOIDRATI

Sono i più abbondanti composti organici presenti in natura. Costituiscono la principale fonte di

molecole che partecipano a trasformazioni energetiche e ad altri processi metabolici; inoltre

hanno funzione di riserva energetica e strutturale. I polisaccaridi sono polimeri composti da

monosaccaridi (monomeri), mentre i monosaccardi sono formati da una catena di atomi di C alla

quale sono attaccati atomi di H e O, nella proporzione CH2O. aldosi

I monosacardi, caratterizzati da un gruppo aldeidico, sono de niti (C=O alla ne della

chetosi

catena) se no sono (C=O in mezzo alla catena).

Il gran numero di composti organici di erenti è dovuto anche al fenomeno dell’ isomeria. Questa

può essere di legame (posizione), stereosiomeria o isomeria ottica.

In base al numero di atomi di carbonio i monosaccaridi possono distinguersi in triosi, tetrosi,

pentosi…

La conformazione ad anello dei monosaccaridi è tipica quando questi sono immersi in ambiente

acquoso. L’anello deriva dalla formazione di un ponte -O- tra gli atomi di carbonio 1 e 5 o 1 e 4.

Le strutture ad anello sono molto stabili.

I polimeri degli zuccheri possono essere disaccaridi, oligosaccaridi o polisaccaridi (>10

monomeri).

Legami glicosidici alfa e beta.

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Il saccarosio è un disaccaride formato da 1 molecola di alfa-glucosio e una beta-fruttosio.

polisaccaridi

I sono lunghe catene di monosaccaridi. I più importanti polisaccaridi con funzione

di riserva nutritiva negli eucarioti sono amido e glicogeno. Amido e glicogeno sono polimeri del

glucosio. L’amido è la più importante forma di energia accumulata come riserva nei vegetali. Il

glicogeno idrolisi

lo è negli animali e nei funghi. Amido e glicogeno possono liberare per

amilosio

(aggiunta di acqua e liberazione di energia) glucosio. L’amido è formato da e

amilopectina e si trova nelle piante. Il glicogeno si trova negli animai (fegato).

L’amido può trovarsi sotto forma di granuli nelle parti verdi delle piante con funzione di deposito

primario)

temporaneo (amido o negli amiloplasti degli organi di riserva con funzione di deposito a

secondario).

lunga durata (amido

Il glicogeno è simile all’amilopectina ma più rami cato (forma granuli nel fegato ad esempio).

cellulosa

La è un carboidrato strutturale nelle cellule vegetali. È la più abbondante sostanza

organica sulla terra. Circa 40 molecole di cellulosa si riuniscono in una brilla elementare; diverse

di queste si riuniscono in micro brille a loro volta in macro brille. La struttura che ne risulta è

molto resistente.

pectine

Le sono eteropolisaccaridi che derivano dall’acido peptico che è polimero dell’ acido

galaturonico. Hanno un’importanza funzione strutturale e costituiscono la porzione fondamentale

della lamella mediana nella parete cellulare, indispensabile a cementare fra loro le cellule. Sono

particolarmente abbondanti nei frutti e possono venire sfruttate industrialmente come addensati

per la fabbricazione di gelatine e marmellate.

emicellulose

Altri carboidrati sono le che sono costituite da pectine legate ad un altro

polisaccaride rami cato e sono costituenti della parete cellulare. Esempi sono gli xilani, i galattani

e i mannani.

fruttani

I sono riserva energetica derivanti dal fruttosio e no dal glucosio. Sono molto solubili.

Quasi tutti derivano dal saccarosio per aggiunta successiva di monomeri di fruttosio, pertanto

presentano una unità terminale di glucosio. Ad essi fanno parte le inuline.

PROTEINE

Le proteine sono polimeri composti da monomeri (amminoacidi). Sono polimeri non rami cati. Gli

legame peptidico. versatili

amminoacidi sono legati tramite Sono molto perchè svolgono diverse

funzioni essendo composte da monomeri diversi cati tra loro.

Gli amminoacidi essenziali sono 20 e sono quelli che compongono le proteine. Ognuno dei 20

gruppo

amminoacidi proteici è codi cato dal codice genetico. Sono caratterizzati da un

amminico gruppo carbossilico residuo R

(NH2), un (COOH) e un caratteristico per ogni

amminoacido.

Si possono distinguere diverse categorie di amminoacidi in base alle caratteristiche chimiche del

residuo R: alifatici, aromatici, acidi, con gruppo ammidico, basici e contenenti zolfo.

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Le proprietà delle proteine dipendono dalle proprietà degli amminoacidi che le compongono.

Legame peptidico è il legame che si instaura tra due amminoacidi i adiacenti tra gruppo ammidico

e quello carbossilico dell’ amminoacido successivo.

primaria,

> struttura sequenza degli amminoacidi che la compongono. Sono legati mediante

legame peptidico e le piccole proteine che si formano vengono chiamate peptidi.

secondaria,

> struttura interazioni chimiche tra amminoacidi vicini tra loro. Può essere alfa-elica

(ponti idrogeno che interessano l’ossigeno (C=O) coinvolto in un legame peptidico e l’idrogeno

(=NH) coinvolto in un altro) o beta-foglietto (ponti idrogeni tra legami peptidici vicini appartenenti a

porzioni ripiegate della stessa catena o fra catene parallele). I gruppi R sporgono sopra e sotto.

terziaria,

> struttura data dalle interazioni fra amminoacidi anche distanti che interagiscono

portando ripiegamenti e spiralizzazioni dovute non solo da ponti idrogeno ma anche ponti di

solfuro, legami ionici e forse idrofobobiche.

quaternaria,

> struttura deriva dal coinvolgimento di più proteine, codi cate da diversi geni,

legate da legami deboli e talora da alte componenti. Emoglobina ne è un esempio, in mezzo

abbiamo i gruppi eme. fi

Rubisco proteina grossa delle piante che ssa anidride carbonica durante fotosintesi.

Le diverse funzioni delle proteine sono: strutturali, riserva, fattori trascrizione, protezione

membrana ed enzimi.

enzimi

Gli sono proteine globulari che funzionano da catalizzatori biologici. Un catalizzatore è una

sostanza che è in grado di aumentare la velocità di reazione. I reagenti delle reazioni enzimatiche

sono detti substrati. Questi si legano ad una piccola regione dell’ enzima chiamata sito attivo.

enzimi allosterici

Gli (costituiti da più subunità) possiedono uno o più siti allosterici, distinti dal

sito catalitico, capaci di legare molecole regolatrici, dette e ettori allosterici.

La maggior parte prende nome dal substrato al quale possono legarsi o dalla reazione che

catalizzano con l’aggiunta del su sso -asi. prospetico

Diversi enzimi contengono una porzione non proteica: gruppo e talora legata a uno

ione metallico, indispensabile per l’attività enzimatica. In qualche caso il gruppo prostetico è

rappresentato da un pigmento.

Le proteine possono essere alterate sicamente da fattori esterni quali temperatura, pH, luce…

tale alterazione prende il nome di denaturazine che le fa perdere la funzione e può essere

irreversibile. Negli enzimi determina la perdita di attività catalitica.

Possono esistere anche insieme d altre macromolecole: lipoproteine, glicoproteine (rivestono ruoli

di riconoscimento e comunicazione inter- e intra-cellulare) , cromoproteine, fosfoproteine e

nucleoproteine.

ACIDI NUCLEICI

Lo scheletro della molecola dei due acidi nucleici è composto da un legame forte (fosfodiesterico)

che si instaura tra zucchero e il fosfato di due nucleotidi adiacenti.

I nucleotidi sono la struttura base degli acidi nucleici e sono costituiti da un gruppo fosfato, uno

zucchero e una base azotata (purina con due anelli o pirimidina con un singolo anello).

Gli acidi nucleici depositano, codi cano e trasmettono informazione genetica. Il deossiribosio è

un pentoso che di erisce dal ribosio per l’assenza di un atomo di ossigeno.

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DOGMA CENTRALE

cromatina

La è contenuta nel nucleo cellulare è costituita da DNA complessato con proteine

basiche de nite istoni. Essa si può presentare in due forme:

eucromatina:

- è la forma meno condensata e rappresenta lo stato attivo del DNA cromosomico,

il quale in questo stato può essere trascritto. L'eucromatina si trova soprattutto nel nucleo di

cellule svolgenti un ruolo attivo nella sintesi di proteine, come neuroni, ovociti o cellule staminali;

eterocromatina:

- è la forma più condensata e rappresenta lo stato inattivo del DNA

cromosomico. Essa si divide in eterocromatina costitutiva, mantenuta costantemente in forma

condensata, e in eterocromatina facoltativa, la quale varia il suo stato di espressione in base allo

stato di di erenziamento della cellula (es. nella forma staminale i geni sono quasi tutti attivi, ma

con il di erenziamento un numero variabile di geni verrà inattivato andando a formare

eterocromatina facoltativa).

Il DNA all'interno del nucleo non si trova in forma lamentosa, ma tende a organizzarsi con diversi

ordini di avvolgimento, i quali hanno origine dal semplice nucleosoma, unità base della cromatina

costituita da un complesso di 8 istoni avvolti da un tratto del lamento di DNA, no ad arrivare al

cromosoma; quest'ultimo rappresenta la forma più condensata della cromatina ed è visibile al

microscopio ottico solo durante i processi di divisione cellulare.

REPLICAZIONE DNA

La replicazione del DNA è un processo molecolare che porta alla formazione di due molecole di

DNA identiche. In tutte le cellule, la replicazione del DNA si de nisce semiconservativa, poiché da

una doppia elica madre si ottengono due doppie eliche glie formate da un lamento di neosintesi

( lamento nuovo) e da un lamento madre ( lamento conservato). Nel corso della divisione

cellulare, che avviene in una fase successiva, a ciascuna delle due cellule glie andrà una delle

due copie di doppie eliche.

Al processo di duplicazione partecipano diversi enzimi e proteine, e si tratta globalmente di un

meccanismo complesso in cui alcune funzioni possono sovrapporsi. Il modello più conosciuto è

senza dubbio quello procariotico, studiato sulle popolazioni di Escherichia coli; quello eucariotico

segue uno schema simile ma più nemente regolato. Gli enzimi fondamentali della replicazione, la

cui conoscenza è importante per la medicina in quanto rappresentano importanti bersagli per gli

antibiotici, sono qui riportati in ordine di intervento:

1. L'elicasi svolge e apre i due lamenti rompendo i legami a idrogeno tra le basi azotate.

2. Le SSB stabilizzano la molecola nella conformazione aperta, facendo in modo che le basi non

riformino nuovamente i legami a idrogeno rotti dall'elicasi.

3. L'enzima primasi sintetizza un RNA primer su entrambi i lamenti.

4. La DNA polimerasi III, partendo dal primer, aggiunge le basi esclusivamente in direzione

5' -›3' su entrambi i lamenti. Essendo i due lamenti di DNA antiparalleli, la sintesi del nuovo

lamento potrà procedere in senso 5' -› 3' e in modo continuo solo su uno dei due lamenti

originari (quello 3' -› 5'), il quale prenderà il nome di lamento leading. Sull'altro lamento (quello

5' -› 3*), chiamato lamento lagging, dal momento che la DNA polimerasi III non può sintetizzare in

senso 3' -› 5', la replicazione procederà in modo discontinuo. La primasi, infatti, sintetizza

numerosi primer che permettono alla DNA polimerasi III di sintetizzare in modo discontinuo ed in

senso 5' -› 3' delle corte catene di nucleotidi che prendono il nome di frammenti di Okazaki.

5. Successivamente, la DNA polimerasi I si attiva, r