Biologia vegetale

Citologia

La parola biologia: lo studio della vita

BIO = bios che significa vita
LOGIA = logos che significa studio

Caratteristiche fondamentali delle piante e la loro importanza per l’ecosistema

• Stanzialità: permette di stabilizzare terreni e svolge un'azione anti erosiva
• Autotrofia: fotosintesi accumulano CO₂ e rilasciano O₂, regolano i cicli dell’acqua assorbendo e traspirando, sono anche dei regolatori del clima
• Produzione di metaboliti secondari per comunicare, competere, difendersi, usati per climatizzazione, medicina, cosmesi e usi tecnici

Fonte di energia

• Combustibili fossili: da decomposizione di organismi, per lo più vegetali (es: petrolio e carbone)
• Legno: come combustibile
• Alcool: da canna di zucchero
• Olio: combustibile da alghe o piante (microalghe - girasole = biodiesel)

La biologia vegetale non si occupa solo di piante

Ma di alghe, batteri, funghi, licheni e piante terrestri.

Le piante non sono tutte uguali

• Vascolari
• Non vascolari
  • Con semi
  • Senza semi (a fiore o senza fiore)

La cellula

Procariote (batteri e archea)

Dimensioni piccole 10 micron, l'involucro nucleare è assente, DNA circolare, nel nucleotide, gli organelli non ci sono, non c'è il citoscheletro, ribosomi 70 subunità.

Eucariote (protisti, piante, funghi e animali)

5-100 micron, l'involucro è avvolto da una membrana, DNA lineare nel nucleo, organelli ci sono e molto differenziati, sì citoscheletro, ribosomi 50 (citoplasma) / 70 (mitocondri) subunità.

Ipotesi endosimbiotica

Nel procambio, un batterio aerobico fu ingerito da un anaerobio con reciproco vantaggio. Nel tempo il batterio interno ha perso o spostato il materiale genetico nel nucleo dell'ospitante originando la cellula eucariote.

Classificazione della vita biologica

• Waese 1977-1990 (6 regni e 3 domani)
• Cavalier-Smith 2004 (2 domani e 7 regni)

Cellula eucariote: cellula vegetale-cellula animale

Cellula vegetale

• Plastidi
• Parete cellulare
• Grandi vacuoli (90% della cellula per le funzioni vitali)
• Perossisomi e gliossisomi
• Non presenta ciglia e flagelli

Cellula animale

• Ciglia e flagelli
• Molti vacuoli e vescicole
• Lisosomi
• Centrosomi
• Centrioli
• Non presenta plastidi, parete cellulare, vacuoli e perossisomi

Entrambe

• Plasmalemma
• Citoscheletro
• Nucleo
• Citoplasma
• RER
• REL

Le cellule hanno dimensione molto piccole, perché?

Mantenere un elevato rapporto tra superficie esterna/volume per garantire un adeguato scambio di nutrienti e di cataboliti per il citoplasma e dal citoplasma.

Tipologia di microscopi

• Occhio umano (fino a 100 micrometri)
• Microscopio ottico (100 micrometri a 100 nanometri)
• Microscopio elettronico (da 100 a 0,1 nanometro)

Microscopio ottico

Sorgente luminosa che permette di osservare il campione.

Microscopio elettronico

Adopera un fascio di elettroni che interagendo con la superficie da analizzare "creano" l'immagine che vedremo su di uno schermo. Gli elettroni direzionati opportunamente raggiungono la superficie del campione scansionando, un 'pennello' di particelle passerà da sinistra verso destra dall'alto verso il basso e le nuove particelle che saranno espulse a causa dell'interazione con l'oggetto di studio.

Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)

Per campioni sottili: la sorgente luminosa è un fascio di elettroni e sono magneti che generano campi elettromagnetici in grado di convogliare il fascio di elettroni sul campione. Il fascio di elettroni prima di colpire il campione passa in una zona di vuoto e solo successivamente passa attraverso il materiale da esaminare.

Scanning Electron Microscope (SEM)

Il SEM è un tipo di microscopio elettronico che produce immagini di un campione scansionando la superficie con un fascio di elettroni. Non vede dettagli interni come il TEM.

Metabolismo

Cataboliche

Molecole grandi scomposte in subunità che degradano le sostanze e producono energia.

Anaboliche

Producono sostanze complesse consumando energia.

Monomeri

Sono anche metaboliti: 1 unica unità molecolare.

Polimeri

È un ripetersi di diversi o uguali monomeri.

DNA

(genoma) = informazione genetica necessaria per la biosintesi di RNA e proteine, ci dice ciò che è possibile che accada nell’organismo.

RNA

(trascritto) = essenziale per i processi di decoding, regolazione di espressione genica, ci dice ciò che sembra stia accadendo.

Proteine

(10-500 kdalton) = formato da catene di amminoacidi ha diverse funzioni: strutturale, catalitiche come enzimi che hanno il compito di velocizzare la reazione. Proteoma = capiamo che sta succedendo effettivamente qualcosa.

Metaboliti

(50-1500 dalton) = piccole molecole coinvolte in processi biologici come substrato o prodotto. Metaboloma = si studia per capire cosa effettivamente accade.

Metabolismo primario

Sono simili per tutti: amminoacidi, zuccheri, nucleotidi, acidi grassi a corta catena. Sono essenziali per la crescita, riproduzione o sviluppo.

Metabolismo secondario

(solo piante) ad esempio THC, tannini e caffeina. Sono chiamati così perché non sono coinvolti direttamente nelle funzioni vitali di base, variano da organismo a organismo perché queste sostanze sono importanti per la botanica farmaceutica.

Piante

• Hanno un'organizzazione cellulare più complessa, la struttura istologica invece è più semplice.
• Il metabolismo è complesso e l'ambiente chimico è fortemente condizionato.
• Stanzialità
• Autotrofia
• Cellule totipotenti che dalle cellule di foglia possono emettere radici

Animali

• Hanno un'organizzazione semplice e una struttura istologica complessa.
• Il metabolismo è semplice e l'ambiente chimico è poco condizionato dall'esterno.
• Non hanno la stanzialità.
• Eterotrofe
• Sono cellule staminali totipotenti.

Le reazioni metaboliche servono di energia quindi necessitano che l'energia venga trasportata da:

• ATP
• NADPH, NADH immagazzinano e cedono energia se i legami si rompono cedono energia attraverso l'idrolisi, se i legami si creano acquistano energia.

La cellula vegetale comprende 3 comparti

• Parete cellulare: all'esterno della membrana plasmatica circondata ogni cellula, contiene maggiormente carboidrati
• Protoplasta
• Membrana plasmatica: detta plasmalemma
• Plasmodesmi: forniscono la possibilità di scambio diretto tra le cellule vegetali attraverso discontinuità nelle membrane
• Citoplasma: comprende tutta la parte interna (matrice gelatinosa composta da acqua metaboliti, proteine sali minerali e organelli e citoscheletro che funge da sostegno e per il movimento dei organelli)
• Nucleo: (DNA e proteine) è responsabile della conservazione e trasmissibilità. Alcune cellule vegetali possono perdere il nucleo (tubi cribrosi) o ne possono avere più di uno (canali laticiferi)
• Nucleolo: sintetizza l'RNA
• Reticolo endoplasmatico: sistema di cavità appiattite (cisterne) formate da membrane laminari fosfolipidiche collegate da tubuli
  • Reticolo liscio: senza ribosomi, sintetizza i lipidi
  • Reticolo ruvido: sintetizza le proteine e vi è la presenza di ribosomi
• Apparato del Golgi: sistema a cisterne non interconnesse a parete liscia che accumulano e trasportano fuori dal citoplasma. Formano vescicole a cui interno ci sono le sostanze da trasportare (verso membrane etc..) e avviene l’esocitosi.
  • Fascia:
    • Cis: riceve prodotti dal RER
    • Trans: rilascia prodotti elaborati dall’apparato del Golgi
• Organelli: piccole strutture che rappresentano parti del citoplasma che servono per le attività metaboliche
• Ribosomi: preposti dalle sintesi delle proteine a partire dall'mRNA, possono essere sia liberi o circondati (RER)
• Mitocondri: producono energia (ATP) tramite le vie biosintetiche del ciclo di Krebs e per fosforilazione ossidativa. Hanno doppia membrana plasmatica con le pieghe caratteristiche dette creste che delimitano la matrice mitocondriale e contengono anche il loro DNA specifico; inoltre, i mitocondri sono sede della respirazione cellulare aerobica in presenza di ossigeno = è un processo di combustione nel quale gli zuccheri, amminoacidi, acidi grassi vengono demoliti in molecole più semplici ottenendo energia disponibile sotto forma di ATP.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + 38ATP (è una reazione di ossidoriduzione = una sostanza perde elettroni mentre un'altra li acquista, in questo caso l'ossigeno è un accettore di elettroni)

Plastidi

Tipici della cellula vegetale.

La membrana plasmatica

Funzione protettiva, mantiene l'omeostasi cellulare ovvero mantiene l'equilibrio in cui si svolgono le attività cellulari, inoltre coordina le varie diverse attività cellulari. Modello: mosaico fluido (i fosfolipidi e steroli compongono la membrana, hanno code idrofobe e teste idrofile). Le membrane biologiche sono permeabili a H₂O e Gas (per diffusione) ma sono impermeabili a ioni e molecole di più grandi dimensioni (fenomeni osmotici). CO₂ e H₂O passano tramite la membrana parzialmente permeabile.

Diffusione

La membrana è permeabile, i sistemi tendono all'equilibrio, le molecole da una zona più concentrata vanno ad una zona meno concentrata. Sono i soluti che cambiano.

Osmosi

La membrana è semi-permeabile, l'acqua si sposta secondo gradiente di concentrazione (ovvero ciò che porta la soluzione all'equilibrio) attraverso una membrana semi-permeabile. L'acqua è quella che varia, i soluti rimangono identici.

Soluzione ipotonica: meno concentrata
Soluzione ipertonica: più concentrata

L'osmosi è la forza che guida il movimento dell'acqua dentro e fuori dalla cellula. Le cellule hanno una concentrazione di soluti maggiore dell'acqua pura. Le cellule animali possono scoppiare, la cellula vegetale non scoppia in quanto la parete cellulare previene lo scoppio.

Pressione osmotica

Quando due soluzioni con lo stesso solvente ma con concentrazioni diverse di soluto sono separate da una membrana semipermeabile le molecole di solvente si spostano dalla soluzione con minor concentrazione di soluto alla maggior concentrazione di soluto in modo da eguagliare le concentrazioni delle due soluzioni. La pressione che occorre applicare alla soluzione affinché il passaggio del solvente non avvenga è detta pressione osmotica.

Energia potenziale dell'acqua = potenziale idrico

Un determinato volume d'acqua, al pari di tutti i corpi, possiede un'energia potenziale (attitudine di competere al lavoro) e dipende dalle forze a cui è soggetto. Quantità relative riferendosi ad una condizione standard (potenziale idrico zero = acqua pura a pressione e temperatura ambiente)

Ψ_w = Ψ_p + Ψ_π + Ψ_m
Ψ_w potenziale idrico
Ψ_p potenziale pressione effetto esercitato maggiore
Ψ_π potenziale osmotico effetto dei soluti sull'acqua
Ψ_m potenziale di matrice ovvero l'assorbimento dell'acqua ai componenti solidi e non solubili

Potenziale osmotico o potenziale di soluto

È generato dalla tensione osmotica, ovvero la forza con cui un soluto lega con H₂O ed è sempre negativa. Ψ_osmotico = -m × i × r × t

m = concentrazione molare
i = fattore di van’t Hoff
r = costante gas
t = temperatura

Tra due ambienti separati da una membrana semipermeabile, l'acqua si muove dall'ambiente con potenziale osmotico minore all'ambiente con un potenziale osmotico maggiore.

Tensione osmotica

Soluzione meno concentrata a una soluzione più concentrata (-10 a -20). Tra due ambienti separati da una membrana semipermeabile, l'acqua si muove dall'ambiente con potenziale idrico maggiore all'ambiente con un potenziale idrico minore. Gli zuccheri rendono più negativo il potenziale osmotico del vacuolo.

La membrana cellulare

Le membrane sono permeabili ad acqua e gas, passano grazie a proteine (trasportano i soluti) che fungono da trasportatori lungo la parete. Ci possono essere due tipi di trasporto:

Trasporto passivo

I soluti passano da un ambiente più concentrato ad una zona meno concentrata, avviene spontaneamente senza energia.

Es:

• Diffusione semplice: è un tipo di passaggio attraverso la membrana che non richiede l'utilizzo di proteine canale, ma le sostanze idrofobiche passano con facilità
• Diffusione facilitata: avviene per molecole polari come l'acqua, per gli amminoacidi, gli zuccheri e gli ioni passano attraverso a delle proteine senza l'uso di ATP e secondo i gradienti
  • Gradienti:
    • Gradiente di concentrazione: l'elettrolita neutro si muove solo in base alla sua concentrazione
    • Gradiente elettrochimico: il soluto è carico e si muove in funzione della sua carica e della sua concentrazione

Trasporto attivo

Passano da una zona meno concentrata ad una zona più concentrata, si sposta senza seguire il suo gradiente di concentrazione, non avviene normalmente ma serve energia che prenderà dall'ATP. Gli ioni vengono attivamente trasportati in una direzione sfavorevole rispetto ai gradienti, per questo richiede energia.

• Trasporto attivo primario: utilizza direttamente l'energia che deriva dal legame fosfato dell'ATP
• Trasporto attivo secondario: deve essere accoppiato, deve spostare una sostanza contro gradiente senza ATP sfruttando l'energia cinetica di uno ione che si muove passivamente secondo il suo gradiente di concentrazione per trasportare una molecola o un altro ione contro il gradiente trovando una sorta di porta di entrata nel t.a secondario

NB: Le membrane biologiche hanno un potenziale di membrana e una differenza di carica dall'interno all'esterno.

Trasportatori

• Uniporto: entra una molecola
• Simporto: entrano due sostanze
• Antiporto: entrambe le due sostanze

Vacuolo

Struttura tipica della cellula vegetale. È il compartimento di maggiori dimensioni della cellula vegetale ed è il 90% della cellula adulta. Membrana: tonoplasto, membrana asimmetrica monosimmetrica ricca di proteine che mediano diverse forme di trasporto. Contiene succo vacuolare ed è attraversata da biglie citoplasmatiche. Accumulo o sequestro di sostanze.

Succo vacuolare (acqua e varie sostanze in soluzione): pH acido per pompe, mentre nel citoplasma pH neutro.

Funzioni vacuolo

• Ruolo osmotico
• Limita la massa del citoplasma
• pH e omeostasi
• Riserva
• Sostegno

Le membrane biologiche sono semipermeabili e regolano sia fenomeni osmotici che diffusione e vari tipi di trasporto mediato. Il vacuolo è anche la sede importante per i fenomeni osmotici (entra e esce acqua). Turgore cellulare: pressione idrostatica esercitata dal contenuto delle cellule vegetali turgoscenti sulla membrana. La pressione sul citoplasma andrà a compensare con la pressione delle membrane evitando così che la cellula possa scoppiare (la pressione osmotica (p) del vacuolo è contrapposta alla pressione del turgore (pt) esercitata dalla parete) = stato di turgore = 0 (p = pt).

A cosa serve questo stato di turgore?

È legata alla solidità meccanica degli organi erbacei che sono privi di organi dei tessuti di sostegno. Appassimento = caduta del turgore, legata da fotosintesi per i movimenti di chiusura e apertura degli stomi da cui la foglia traspira con l'acqua intorno. I vacuoli spingono sulla cellula e i vacuoli si uniscono fino a crearne uno grosso spingendolo alla sua crescita.

Auxine (acido indolacetico)

Arriva sulla parete della cellula e stimola l'abbassamento del pH, si degrada la rigidità della parete, l'acqua entra e si ingrandisce il vacuolo.

Tropismo

Crescita direzionale in direzione uguale o contraria di uno stimolo. La pianta cresce:

• Fototropismo: grazie a luce verso l'alto (positivo)
• Geotropismo: grazie alla gravità (negativo)

Funzione di riserva

• H₂O
• Ioni inorganici
• Enzimi idrolitici: proteine che fungono da riserva di amminoacidi
• Metaboliti primari: acidi organici come l'acido malico e carboidrati
• Metaboliti secondari: amminoacidi

Carboidrati

Nei parenchimi di riserva dei frutti, nella radice nel fusto (glucosio, saccarosio, mucillagini), quest'ultimi abbassano il punto di congelamento e alzano il potenziale osmotico richiamando acqua nel vacuolo. Oltre a questi vacuoli abbiamo i corpi proteici: vacuoli piccoli che accumulano proteine, si trovano nella cellula dell'endosperma o nei cotiledoni dei semi. Durante la germinazione e le prime fasi di crescita della plantula, il contenuto dei corpi proteici viene idrolizzato per fornire substrati ed energia per la crescita della plantula.

Quando l'idrolisi delle sostanze di riserva è completa, i corpi proteici diventano piccoli vacuoli acquosi che si fonderanno poi a formare il grosso vacuolo della cellula.

Inclusi vacuolar

Nel vacuolo sono spesso presenti degli inclusi, ovvero sostanze solide non solubilizzate. Con il termine rafidi si identificano i cristalli di carbonato ad ossalato di calcio presenti nei vacuoli delle piante quando appaiono sotto forma di aghi. Cristalli di ossalato di calcio CaC₂O₄. Oltre a sostanze in forma solubilizzata, i tessuti vegetali possono accumulare anche sostanze allo stato solido, in particolare nel vacuolo ma non solo. Molto importanti sono i cristalli di ossalato di calcio. La loro presenza e la peculiare forma assunta può essere un'importante fattore di discriminazione di materiale vegetale intero e/o polverizzato.