Biologia vegetale 2

Biologia vegetale

Biologia vegetale: è la branca della biologia che si occupa dello studio delle piante. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da molecole organiche, per poter costruire tali molecole assumono dall’esterno molecole, in genere piuttosto semplici. Solo le piante sono in grado di sintetizzare le molecole organiche di cui hanno bisogno, a partire da composti inorganici.

Autotrofi e eterotrofi

• Autotrofi: trasformano le sostanze inorganiche in sostanze organiche (fotosintesi).
• Eterotrofi: devono assumere sostanze organiche per poter costruire molecole organiche.

In tutte le comunità di viventi gli organismi autotrofi svolgono il ruolo di produttori, essi producono infatti le molecole organiche delle quali si nutrono gli organismi eterotrofi, che svolgono il ruolo di consumatori.

Somiglianze animali-piante

Le piante, pur avendo evidenti diversità, hanno in ogni caso sostanziali somiglianze con gli altri organismi viventi:

• Hanno in comune un gran numero di molecole (acidi nucleici, proteine, lipidi, ecc.).
• Hanno in comune molti processi metabolici (respirazione, sintesi proteica, ecc.).

Peculiarità di una pianta è dunque il processo fotosintetico via di sintesi di molecole organiche, rappresentate da carboidrati, a partire da acqua e anidride carbonica, utilizzando l’energia luminosa proveniente dal sole (Robert Mayer, 1850). Questa particolare strategia di vita delle piante è alla base di una serie di caratteristiche morfologiche, funzionali, che le contraddistingue dagli organismi eterotrofi.

Differenze animali-piante

Per procurarsi il maggior quantitativo di H₂O e CO₂, la pianta ha sviluppato ampie superfici, in particolare ampio apparato radicale per l’assorbimento di H₂O. Da ricordare:

• Radice a fitotone in cui abbiamo un asse principale da cui dipartono radici laterali.
• Radice fascicolata formata da radici parallele, non c’è una radice principale. Le radici sono usate come accumulo di sostanze di riserva.

Per quanto riguarda l’anidride carbonica avremo un’ampia superficie fogliare che permette anche l’assorbimento della radiazione solare. Acqua, sali minerali in essi disciolti e anidride carbonica sono ingredienti ubiquitarie, facilmente disponibili: le piante sono dunque immobili, non hanno sviluppato strutture atte al loro spostamento. Necessitano dunque di rinnovo e ampliamento delle loro superfici assorbenti, pertanto crescono formando sempre nuove foglie e nuove radici per tutta la durata della loro vita. Le parti verdi della pianta in grado di assorbire luce, sono dotate di larga autonomia, parti anche cospicue della pianta possono essere perse, per tagli o danneggiamenti, senza che l’individuo ne soffra.

In sintesi: autotrofia, immobilità, grande sviluppo di superfici, organizzazione decentrata, accrescimento indefinito e grande adattamento all’ambiente.

Impatto delle piante sull'ambiente

• Per la produzione di sostanze organiche.
• Per la produzione di ossigeno. L’ossigeno, prodotto dagli organismi fotosintetici come sostanza di rifiuto è quello accumulato nell’atmosfera nel corso delle ere geologiche. 2,3 miliardi di anni fa compaiono i primi organismi fotosintetici produttori di ossigeno, il cui aumento provoca un incremento della concentrazione di ossigeno nell’atmosfera. Quando la quantità di O₂ supera quella consumata per i processi ossidativi, compare per effetto delle radiazioni ionizzanti, uno strato di ozono, in grado di trattenere gran parte delle radiazioni ultraviolette solari. Attraverso le radici le piante assorbono una grande quantità di acqua dal terreno, utilizzandone per l’attività metaboliche solo una parte. La quasi totalità dell’acqua assorbita viene rimessa nell’ambiente sotto forma di vapore e contribuisce al mantenimento dell’umidità atmosferica e alla formazione delle nuvole, influenzando la piovosità e quindi il clima.
• Perché fonte alimentare.
• Per la produzione di energia. Fino agli inizi del ’900 i materiali combustibili erano costituiti quasi esclusivamente da legname e dal carbone. Oggi il petrolio è sostanza organica prevalentemente di origine vegetale.
• Per la cura della salute umana. Piante medicinali: piante che contengono sostanze utilizzabili a fini terapeutici o precursori che consentano di ottenere per emisintesi composti terapeuticamente attivi. Ma anche piante che se assunte direttamente, possono provocare nell’organismo vivente modificazioni funzionali, prevenire o curare stati di malattie, ristabilire o correggere funzioni organiche.
• Per la produzione di prodotti cosmetici o integratori alimentari. Es: Chrysanthemum cinerariaefolium, il piretro è un insetticida d’origine vegetale che si ottiene dai fiori di particolari specie di crisantemo. È utilizzato per tenere lontani, distruggere o rendere inoffensivi parassiti e agenti nocivi all’uomo e agli animali.
• Possiamo ricordare le piante per il loro effetto ricreativo, riposante e rilassante che ha portato l’uomo a costruire parchi e giardini.

È importante ricordare che esistono problemi legati all’uso delle piante medicinali:

1. Rischio di estinzione delle piante somministrate.
2. Problemi legati alle possibili interazioni con l’uso di altri farmaci.
3. Tossicità.

Componenti chimiche dei viventi

1. Acqua: sostanza inorganica, le reazioni metaboliche avvengono in soluzione acquosa ed è il reagente di molte reazioni chimiche (come fotosintesi o scissione di polimeri). Nei frutti carnosi e foglie >90% nei frutti secchi e semi 1-5%.
2. Sostanze inorganiche: presenti come ioni in soluzione nell’acqua.
   • Cationi: K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺ e NH₄⁺.
   • Anioni: H₂PO₄^-, SO₄^2-, HCO₃^- e NO₃^-.
3. Sostanze organiche
   • Proteine
   • Carboidrati
   • Lipidi
   • Acidi nucleici

Proteine

Le proteine sono polimeri costituiti da aminoacidi. R= catena laterale. Gruppo aminico, Gruppo carbossilico.

Proteine ad attività enzimatica come quelle di papaia, ananas e fico:

• Carica papaya PAPAINA: la droga è costituita da latice di frutti immaturi (bacche), ricco di papaina, enzima proteolitico ed è utilizzato in caso di insufficienze gastriche e duodenali. Tale enzima si usa nell’industria per rendere tenera la carne e favorirne la digestione (dalle foglie si estrae la carpaina, alcaloide con azione battericida e batteriostatica).
• Bromelia ananas BROMELINA: il frutto maturo (droga) contiene acidi organici, vitamine A, B, C, zuccheri e l’enzima proteolitico bromelina, che facilita la digestione ed ha azione antinfiammatoria.
• Ficus carica FICINA: la droga è costituita da frutti e foglie a proprietà bechiche (bechico: combatte tosse e facilita espettorazione) ed emmenagoghe (emmenagogo: ristabilisce o rende regolare il ciclo mestruale). I frutti sono ricchi zuccheri e vitamine, ingeriti a digiuno hanno effetti lassativi. Discorso a parte per il latice, che si ottiene per incisione del fusto, all’aria rapprende e costituisce la ficina, miscuglio di proteasi ad attività simile alla papaina.

Carboidrati

(CH₂O)_n o idrati del carbonio

• Monosaccaridi: zuccheri semplici.
  • Pentosi: 5 atomi di C.
  • Esosi: 6 atomi di C.
• Disaccaridi: 2 molecole di monosaccaridi legate tramite legame glicosidico (reazione di condensazione).
  • Maltosio: 2 molecole di glucosio.
  • Saccarosio: 1 molecola di glucosio e 1 di fruttosio.
• Beta vulgaris L. la barbabietola viene coltivata nei paesi a clima temperato. È una pianta a ciclo biennale: nel primo anno nella radice si accumulano riserve sotto forma di zucchero, nel secondo si sviluppa il fusto fiorifero. In coltura, per l’estrazione dello zucchero, la pianta viene raccolta al completamento dello sviluppo del primo anno.
• Saccharum officinarum L. pianta tropicale perenne, la canna da zucchero raggiunge in media 4-5 metri d’altezza. Il caule di 4-6 cm di diametro è utilizzato per estrarre saccarosio, che si accumula nel midollo che riempie il fusto chiamato cumulo tipicamente cavo, di interesse alimentare ma anche come correttivo e veicolo di farmaci.
• Polisaccaridi: molte molecole di monosaccaridi.
  • Sono gigantesche catene di monosaccaridi uguali o diverse, unite da legami glicosidici, le catene possono essere ramificate o lineari e sono insolubili in acqua. Tra i più importanti:
  • Animali e funghi: glicogeno.
  • Piante: amido e cellulosa.
  • Amido composto da amilosio catena lineare (200-2000) unità di α-glucosio con legami α1-4 glicosidici a formare una catena ripiegata regolarmente su sé stessa a formare un’elica e amilopectina catena ramificata di α-glucosio con legami α1-6 nelle diramazioni.
  • Cellulosa formata da catene lineari di β-glucosio (da 300 a 15000 unità) che formano legami β1-4 glicosidici inoltre tramite legami idrogeno formano robuste microfibrille.

Funzioni:

• Zuccheri semplici: combustibili della cellula.
• Polisaccaridi: materiali di riserva (amido nelle piante, glicogeno negli animali e funghi), elementi strutturali e riconoscimento tra cellule (associati a proteine e lipidi).

Lipidi

Sono un gruppo di sostanze che pur avendo strutture molto diverse, hanno in comune la caratteristica di derivare da acidi grassi, solubili in solventi organici come cloroformio, acetone, etere, alcuni alcoli e benzene, ma non in acqua. Gli acidi grassi sono formati da lunghe catene di atomi di C con un unico gruppo carbossilico. Comprendono:

• Trigliceridi: grassi di riserva, se ossidati, a parità di peso, danno il doppio di energia dei carboidrati.
  • Oli, liquidi, quando siamo di fronte a trigliceridi costituiti da acidi grassi insaturi (acido oleico, linoleico, linolenico).
  • Grassi, solidi, in riferimento a trigliceridi in cui sono presenti acidi grassi saturi (acido palmitico, stearico).

  In senso generale gli acidi grassi insaturi sono più frequenti nei vegetali, mentre quelli saturi negli animali. Inoltre, negli animali tendono a predominare acidi grassi a catena lunga, mentre nei vegetali troviamo acidi grassi a catena breve. Oli e grassi sono importanti componenti per l’alimentazione: l’80% dei prodotti in commercio sono utilizzati in campo alimentare, un ulteriore 6% per l’alimentazione degli animali. Il resto è impiegato per la produzione di saponi, detergenti e creme, sia per uso cosmetico che terapeutico.

• Cere, cutina e suberina prevalentemente funzione strutturale e di protezione contro la perdita di acqua, ma anche per la difesa contro agenti patogeni e agenti nocivi.
  • Cutina e suberina (pareti cellulari suberificate: sughero) sono miscugli di polimeri di acidi grassi esterificati, nella prima compare anche una componente polifenolica. La cutinizzazione è l’impregnazione delle pareti esterne delle cellule epidermiche con cutina. Lo strato che si forma è detto cuticola. La suberina costituisce pareti cellulari suberificate sughero.
  • Cere sono esteri di acidi grassi con alcoli alifatici saturi, a catena lunga. Per la loro struttura alifatica satura sono insolubili in acqua e chimicamente inerti. Tali proprietà conferiscono alle cere funzioni protettive, che esplicano sulle epidermidi di molte piante, in particolare su quelle delle foglie e di molti frutti.
• Lipidi complessi
  • A. Fosfolipidi (i più abbondanti) testa polare idrofila e coda non polare idrofoba, in acqua formano doppi strati. 1 molecola di glicerolo, 2 molecole di acidi grassi, 1 molecola di acido fosforico.
  • B. Steroli costituiti da 4 anelli carboniosi, hanno una tipica struttura derivata dal ciclopentanoperidrofenantrene (colesterolo, cortisolo, testosterone).
  • C. Glicolipidi in cui uno dei gruppi ossidrile del glicerolo si lega ad uno zucchero (legame glicosidico) anziché all’acido fosforico.

Funzioni:

• Trigliceridi: riserva.
• Fosfolipidi: strutturale.
• Glicolipidi: interazione cellulare.
• Steroidi: strutturale (colesterolo), regolatori metabolici (ormoni).

Cellula vegetale

Secondo la teoria cellulare 1893 tutti gli esseri viventi sono formati interamente da cellule che sono considerate le più piccole unità indipendenti della vita (Shleiden, Shwann).

Concetto di superficie relativa

Il rapporto tra superficie e volume: un organismo suddiviso in cellule ha una superficie più ampia attraverso la quale possono avvenire gli scambi con l’esterno rispetto ad un organismo formato da un’unica massa di materia vivente. Che altro si può fare a livello cellulare per incrementare il rapporto superficie-volume?

• Forma con rientranze e sporgenze.
• Superficie liscia con forma allungata in una sola direzione.
• Forma estesa in due direzioni.
• Forma sferica ma cava al suo interno.

La cellula degli eucarioti: forma e dimensioni della cellula sono legate alle funzioni che essa deve svolgere. Tra le cellule vegetali, la forma sferica è assai rara, mentre più frequente quella poliedrica. Al microscopio si distinguono cellule a sezione ellittica, quadrangolare, poligonale, stellata, allungata, ecc.; ognuna di queste forme è determinata dalla modalità di genesi della cellula e soprattutto dalla funzione a cui questa è deputata. Le dimensioni variano fra 10 e 40 µm di diametro.

Struttura cellulare

Costituita da:

1. Membrana plasmatica o plasmalemma, costituito da una membrana selettiva è formato da un doppio strato fosfolipidico esterno e interno in cui la parte idrofoba (lunghe catene di acidi grassi) sono poste verso l’interno e la testa polare o idrofila verso l’esterno. Vi sono anche delle proteine (es: proteine transmembrana che regolano trasporti di molecole tra esterno e interno della cellula).
2. Citoplasma materiale semifluido nelle quali sono sospesi gli organuli cellulari. Sede di importanti vie metaboliche (non a caso i costituenti chimici più abbondanti sono proteine ad attività enzimatiche) come glicolisi e sintesi degli acidi grassi.
3. Nucleo delimitato da doppia membrana con numerosi pori. Contiene i cromosomi (costituiti in massima parte da DNA e proteine) sede dell’informazione genetica. Un’altra sua funzione è produrre ribosomi, sintetizzati a livello dei nucleoli (zone del nucleo particolarmente ricche di DNA) e trasferiti nel citoplasma attraverso i pori nucleari.
4. Reticolo endoplasmatico costituito da membrane che formano canali o sacchi appiattiti, che delimitano cavità chiuse, dette cisterne.
   • Liscio: funzioni specializzate, connesse col metabolismo lipidico.
   • Ruvido: le proteine sintetizzate dai ribosomi vengono scaricate nelle cisterne, dove verranno trasferite per destinazioni cellulari varie (le proteine nelle cisterne subiscono l’aggiunta di catene oligosaccaridiche).
5. Apparato di Golgi, o dictiosoma, costituito da sacchi membranosi appiattiti, impilati, da cui si distaccano lateralmente vescicole sferiche. Sede di sintesi dei polisaccaridi non cellulosici e sede di elaborazione delle proteine.
6. Ribosomi appaiono come granuli scuri, costituiti da 2 subunità. Funzione fondamentale della sintesi proteica.
7. Mitocondri rappresentano la centrale energetica della cellula, produzione di energia sotto forma di ATP.
8. Lisosomi e perossisomi delimitati da singola membrana, mancano del complicato sistema di membrane interne.
   • Lisosomi: contengono enzimi idrolitici utilizzati in alcuni processi digestivi.
   • Perossisomi: contengono numerosi enzimi, catalizzano reazioni ossidative.
9. Citoscheletro: dà sostegno alla cellula, ne determina la forma e ne permette i movimenti. Costituito da:
   • Filamenti di actina: formano una trama fitta alla periferia della cellula.
   • Filamenti intermedi: si addensano intorno al nucleo.
   • Microtubuli: elemento costruttivo fondamentale del fuso mitotico, nonché di ciglia e flagelli. NB: nelle cellule animali i microtubuli si irradiano dai centrioli che mancano nelle cellule vegetali.

Caratteristiche distintive della cellula vegetale

La cellula vegetale ha la stessa struttura base della cellula animale, ma possiede alcuni elementi distintivi:

• Parete cellulare: rivestimento esterno, 100 volte più spesso rispetto ad una membrana, costituita in prevalenza da polisaccaridi.
• Plastidi: tutti con precursore comune, proplastidio.
  • Cloroplasti con funzione fotosintetica con colore verde si trovano nelle parti aeree come le foglie.
  • di riserve sono incolori.
  • Cromoplasti conferiscono colore giallo-arancione.
• Vacuolo

Plastidi

Dimensioni > 5µm

• Cloroplasti formati da un sistema di doppie membrane, da invaginazione di quella interna tilacoidi, unità fotosintetiche costituite da pigmenti (clorofilla A 75%, clorofilla B 25% e carotenoidi) che nella fase luminosa catturano la luce e la trasformano in energia chimica. I tilacoidi possono essere intergrana o stromatici.

Sono contenuti nello stroma dove è anche contenuto il DNA e tutto il complesso macchinario biochimico per la sintesi delle proteine ed enzimi utilizzati nella fase oscura per la fissazione della CO₂. L’enzima che permette l’organicazione del carbonio è il RUBILOSIO DIFOSFATO CARBOSSILASI (o rubisco); questa proteina è costituita da 16 subunità, 8 grandi e 8 piccoli. La subunità grande è codificata dal cloroplasto, quella piccola dal DNA nucleare.

Ipotesi endosimbiotica sull'origine dei cloroplasti e dei mitocondri

L’origine dei plastidi. I plastidi sono organelli semiautonomi circondati da una doppia membrana che presentano somiglianze con i batteri. Si pensa che l’evento endosimbiontico che portò all’introduzione di un cianobatterio fotoautotrofo nella cellula di un eucariote eterotrofo abbia dato origine a questi organelli; infatti i ribosomi dei cloroplasti hanno la stessa dimensione dei ribosomi batterici e la sintesi proteica dei cloroplasti è inibita dagli stessi antibiotici che bloccano la loro sintesi.