Biologia vegetale

Regni dei viventi

Regno dei Monera

I monera, o monere, sono organismi procarioti unicellulari (primo regno comparso sulla Terra), procarioti perché privi di un vero e proprio nucleo, il materiale nucleare è sparso all'interno. Appartengono a questo regno i batteri e i cianobatteri.

Regno dei Protisti

I protisti sono organismi unicellulari composti da cellule eucariote dotate di nucleo. La cellula è più organizzata, e sono stati inseriti all'interno del regno i protozoi, gli organismi vegetali (amibe) e alcune alghe. Sono organismi autotrofi ed eterotrofi, possiedono le caratteristiche proprie sia delle piante che degli animali.

Organismi pluricellulari

Negli organismi pluricellulari o multicellulari, la maggiore differenza sta negli organismi che vanno a formarsi: piante, funghi e animali (eucarioti). La modalità di nutrizione è differente da gruppo a gruppo: le piante utilizzano il meccanismo della fotosintesi (autotrofia), i funghi si nutrono attraverso l'assorbimento, ma sono organismi immobili non fotosintetici (eterotrofi=ricavare dall'ambiente le sostanze) e gli animali utilizzano la digestione (eterotrofi).

Archeobatteri

Gli archeobatteri sono unicellulari e procarioti, ma primitivi rispetto ai batteri e sono in grado di vivere in ambienti estremi. Questo regno è stato inserito più tardi.

Differenze tra cellula eucariota e cellula procariota

Escherichia Coli e cianobatterio sono cellule procariote, in comune hanno dimensioni molto ridotte e sono entrambe prive di nucleo. La cellula procariota non è compartimentata, non contiene organuli a differenza della cellula eucariota. I ribosomi sono presenti nella procariota, svolgono la sintesi delle proteine, ma non vengono considerati organuli per delle particolarità proprie come l'assenza di membrana. Il tipo di DNA è anch'esso differente; nei procarioti è di forma circolare sparso in una zona particolare del citoplasma (nucleoide). Nei procarioti il citoscheletro è assente. Il lievito è un organismo unicellulare, ma contiene il nucleo (protisti). La cellula vegetale ha una forma ben definita simile a un rettangolo.

Struttura del Cianobatterio

I cianobatteri, chiamati un tempo, ora impropriamente, anche alghe azzurre o cianoficee, sono un phylum di batteri fotosintetici. Sono organismi unicellulari procarioti e fotoautotrofi. Contengono una parete, una guaina mucillaginosa, il citoplasma e i tilacoidi: membrane di clorofilla nel citoplasma.

Differenze tra cellula vegetale e cellula animale

Cellula animale

Una cellula animale standard è delimitata da una membrana cellulare, al cui interno si trova il citoplasma con i suoi organuli. Il nucleo è delimitato da un doppio involucro (involucro nucleare), dotato di pori nucleari, con all'interno il materiale nucleare (DNA, cromatina e cromosomi), una struttura molto importante è il nucleolo in cui si sintetizzano i ribosomi. Sulla membrana esterna dell'involucro nucleare si trovano dei ribosomi e una serie di membrane organizzate a forma di cisterne (reticolo endoplasmatico ruvido → ribosomi sulle membrane). Vi è poi il reticolo endoplasmatico liscio con funzioni diverse da quelle del rugoso, collegato al reticolo vi è l'apparato di Golgi formato da membrane che formano cisterne impilate le une sulle altre, da queste estremità si staccano le vescicole. I mitocondri sono delimitati da due membrane, quella esterna che forma le creste mitocondriali, importante per la respirazione cellulare e la produzione di energia tramite ATP. I perossisomi svolgono ruoli in cui il perossido di idrogeno è il risultato finale, i lisosomi contengono invece enzimi degradativi che demoliscono diverse sostanze. All'interno dello spazio cellulare decorrono i filamenti del citoscheletro.

Cellula vegetale

La membrana che delimita la cellula è formata all'esterno da una parete cellulare costituita da polisaccaridi, il più importante di questi è la cellulosa con funzione di sostegno (non è selettiva come la membrana). Vi è il nucleo molto simile a quello della cellula animale, ma ha più frequentemente situazioni di plurinuclearità. Il reticolo endoplasmatico è presente in forma granulare/rugosa implicato nella sintesi delle proteine. L'apparato di Golgi sede delle vescicole di passaggio, elabora e secerne materiale di parete, ma non la cellulosa che viene invece sintetizzata in membrana. Il mitocondrio è quasi completamente simile alla cellula animale, così come i perossisomi e i filamenti di citoscheletro, non sono presenti i lisosomi perché la loro attività si svolge in un'altra struttura. I plastidi contengono la clorofilla, i più importanti sono i cloroplasti che attuano il processo di fotosintesi (hanno un colore particolarmente verde), sono anch'essi organuli energetici, permettono alla cellula di essere autotrofa (può svolgere la propria funzione di nutrizione, elaborando alimenti inorganici mediante assunzione d'energia dal mondo inorganico). Vi è poi il vacuolo, una grossa cisterna (fino al 90% del volume cellulare) delimitata da una membrana al cui interno è presente una soluzione di succo cellulare/vacuolare, al suo interno sono contenute le sostanze di interesse farmaceutico.

Plastidi

I plastidi sono organuli delle cellule vegetali, costituiti come i mitocondri da un involucro composto da due membrane bistrattificate: la membrana esterna e la membrana interna. All'interno delle membrane si trova lo stroma o matrice, fluido contenente vari metaboliti tra cui ioni, proteine, ribosomi, DNA e lipidi (questi ultimi tre la rendono simile al mitocondrio). Nelle cellule non ancora differenziate (embrionali) si trovano i proplastidi (progenitori dei plastidi) piccoli e con un sistema interno di membrane poco sviluppato. Dai proplastidi si differenziano i plastidi che si dividono a seconda della loro funzione, del loro colore, dello sviluppo delle membrane interne e del contenuto dello stroma, in tre diversi tipi:

• Cloroplasti, con funzione di fotosintesi;
• Leucoplasti, con funzione di riserva;
• Cromoplasti (colorati, ma non verdi), determinano il colore per l'attrazione a fine della fecondazione (funzione vessillare/vessillifera).

Cloroplasti

I "Plastidi verdi" sono presenti nelle cellule vegetali. I proplastidi esposti alla luce si differenziano in cloroplasti di colore verde a causa della presenza di un pigmento fotosintetico, la clorofilla, i cloroplasti rappresentano infatti la sede del processo fotosintetico (richiesta di luce) e sono presenti in tutti gli organismi fotosintetici (alghe e piante). Sono di solito localizzati nei tessuti esposti alla luce (es. foglie, fusti erbacei, giovani rami, boccioli di fiori, gemme etc.), in superficie addossati alla parete e si spostano in modo da rimanere sulla superficie grazie ai microtubuli del citoscheletro. Nelle alghe sono poco numerosi e possono avere forme varie (es. a nastro, ellissoidali, a coppa, laminare avvolto a cintura, nastriforme a spirale, stellare, laminare perforato). Nelle piante superiori hanno forma lenticolare e sono in numero variabile (media 20-40 per cellula).

Struttura del cloroplasto

Il cloroplasto è delimitato da una doppia membrana che delimita anche il nucleo e i mitocondri, tra le due membrane c'è uno spazio intermembrana. Le due membrane sono molto differenti tra di loro, quella esterna è molto più permeabile e contiene dei pori per il passaggio di nutrienti; quella interna invece è meno permeabile. All'interno troviamo la sostanza di fondo, lo stroma, e una serie di strutture membranose organizzate e ripiegate a formare dei piccoli sacculi membranacei che vengono nominati tilacoidi, membrane su cui si inserisce la clorofilla e i componenti della fotosintesi (carotenoidi, componenti fotosintetici) e i fitocomplessi che realizzano la fotosintesi e si trovano sulle membrane dei tilacoidi, questi ultimi sono impilati l'uno sull'altro come monete, nell'insieme vengono chiamati grana (pile di tilacoidi). Vi sono anche i tilacoidi di intergrana che collegano un granum all'altro e all'interno vi è il lume dei tilacoidi.

• Contenuti dello stroma: DNA circolare (tipo batterico) e RNA;
• Ribosomi (tipo batterico);
• Granuli d'amido (primario) non si accumula in grandi quantità perché viene demolito e trasportato soprattutto nei plastidi di riserva, ovvero i leucoplasti.
• Enzimi di vario tipo fra cui quelli del ciclo di Calvin (fase oscura della fotosintesi).

I cloroplasti sono in grado di dividersi anche nella fase adulta con un processo molto simile alla scissione batterica.

Origine dei cloroplasti

Come si sono originati i cloroplasti? Una cellula proto-eucariota (trasformazione in eucariota) ha fagocitato un cianobatterio con i suoi tilacoidi, il quale è rimasto dentro la cellula. L'ipotesi viene avvalorata dalla presenza di DNA di tipo batterico e dalle due membrane, quella del cianobatterio e quella della cellula che lo ha fagocitato. Una volta fagocitato ha iniziato a perdere gradualmente la sua autosufficienza, c'è stata una particolare migrazione di geni nel nucleo, due tipi di DNA: quello nucleare e quello plastidiale. Il cloroplasto attualmente è in grado di sintetizzare parte delle sue proteine.

Clorofilla come colorante naturale (E140): è ricavata principalmente dallo spinacio e dall'ortica. Viene venduta sotto forma di polvere.

Eziolamento

Il fenomeno che si verifica quando la pianta è in carenza di luce, a livello cellulare si verifica il fenomeno secondo cui il cloroplasto si converte in un ezioplasto, al suo interno le membrane dei tilacoidi si organizzano in microtubuli creando il corpo prolamellare. In mancanza di luce la clorofilla non viene più sintetizzata e la pianta ingiallisce; il fenomeno è reversibile entro certi limiti con la riconversione in cloroplasto: il corpo prolamellare si disgrega e le membrane vanno a ricostituire quelli che erano i tilacoidi del grana, la sua struttura membranacea viene ricostituita. La clorosi può essere un'altra causa dell'ingiallimento della pianta non dovuto alla carenza di luce, ma a causa di altri elementi come la carenza di nutrienti nel terreno.

Leucoplasti

Esistono diversi tipi di leucoplasti in base alle sostanze di riserva che si accumulano al loro interno:

• Amiloplasti, con funzione di riserva di granuli d'amido;
• Elaioplasti, immagazzinazione di lipidi;
• Proteinoplasti, contengono corpi proteici cristallini.

Sono plastidi incolori, adibiti alla funzione di riserva, si trovano nei tessuti di riserva delle parti della pianta non esposte alla luce, ad esempio nel midollo dei fusti (parte centrale del fusto), nelle radici, nei fusti sotterranei, nei frutti e nei semi. Sono formati da un involucro esterno costituito da due membrane e da uno stroma ricco di sostanze di riserva e da un sistema di membrane interne molto ridotto. Tra i leucoplasti si distinguono:

• Gli amiloplasti dove la sostanza di riserva è l'amido secondario o di riserva. L'amido primario che si forma durante la fotosintesi nei cloroplasti dove è deposto in piccoli granuli, durante la notte quando non si ha la fotosintesi viene idrolizzato in disaccarosio (un glucosio + un fruttosio) i quali vengono poi trasferiti negli organi di riserva dove si ripolimerizzano nei leucoplasti a formare l'amido secondario costituito da amilosio ed amilopectina.

Amido

È un polimero ad alto peso molecolare dell'alfa glucosio, la sua sintesi avviene nei cloroplasti. L'amido è l'unione di due diversi polimeri: l'amilosio e l'amilopectina, entrambi formati da glucosio. L'amilosio è lineare e il legame tra le molecole di glucosio viene chiamato alfa-1,4 glucosidico: l'OH legato al carbonio in posizione 1 della prima molecola di glucosio reagisce con l'OH legato al carbonio in posizione 4 della molecola di glucosio seguente. L'amilopectina è un polimero del glucosio ramificato, ad alcune molecole di amilosio vengono attaccati in posizione 6 altre molecole di glucosio (legame alfa-1,6). L'amilopectina è più digeribile dell'amilosio da parte delle amilasi. La digeribilità dell'amido è legata al rapporto amido dei legumi e ha maggiore contenuto in amilosio rispetto ai cereali, per questo è più lentamente digerito, digeribilità legata anche alla dimensione e alla struttura dei granuli d'amido. I granuli di amido secondario vengono deposti all'interno degli amiloplasti a partire da un centro di accrescimento detto ilo attorno al quale l'amido viene deposto in strati concentrici. Hanno una forma diversa a seconda delle varie piante e possono essere semplici o composti e vengono per questo motivo anche utilizzati nel riconoscimento delle sofisticazioni alimentari delle farine. I granuli differiscono per il tipo di ilo e per la forma del granulo stesso. L'ilo può essere esattamente al centro del granulo o eccentrico, quindi spostato (altro fattore di riconoscimento). Gli strati di amido possono essere più o meno concentrati (al buio accumulo di strati meno concentrati). L'amido non è solubile in acqua fredda, ma in acqua calda forma la salda d'amido che si forma per parziale solubilizzazione dell'amido in acqua calda. Usata come agente collante nell'industria della carta. L'amido è usato come addensante nell'industria alimentare e come eccipiente nell'industria farmaceutica.

Riconoscimento dell'amido

Il liquido di Lugol costituito da Iodo sciolto in ioduro di potassio, in presenza di questo elemento la sostanza si colora di viola. La colorazione è specifica, perciò se diventa viola lo è.

Elaioplasti

Gli elaioplasti accumulano i lipidi, possono contenere una goccia d'olio.

Proteoplasti

I proteoplasti accumulano proteine (corpi proteici), le inclusioni sono chiamate corpi proteici e sono ricoperti di membrana.

Cromoplasti

I cromoplasti sono plastidi colorati per la presenza di abbondanti pigmenti chiamati carotenoidi che conferiscono loro i colori giallo, arancione e rosso. Non sono fotosintetici, non è presente un sistema esteso di membrane, non ci sono grana ed i pigmenti possono essere nello stroma di cristalli, sotto forma di corpi filamentosi o goccioline. Sono presenti in fiori, frutti in maturazione (pomodori, peperoni) e foglie senescenti. La funzione è vessillifera o vessillare, ovvero quella di attrarre gli impollinatori. Possono derivare direttamente da un proplastide oppure possono rappresentare la fase senescente dei cloroplasti. Nel secondo caso la colorazione di caroteni e xantofille (arancione-rossa) appare a seguito della degradazione della clorofilla (verde) del cloroplasto che mascherano il colore degli altri pigmenti quando il cloroplasto è ancora funzionale. I carotenoidi sono coloranti naturali e integratori alimentari, hanno attività antiossidante, di prevenzione delle malattie cardiovascolari, protezione della vista e antitumorali.

Interconversione tra plastidi allo stato adulto

Il proplastido può trasformarsi in ezioplastio, in cromoplasto e in amiloplasto, queste tre possono trasformarsi in cloroplasto. La trasformazione del cloroplasto in cromoplasto è un fenomeno di maturazione di molti frutti come il peperone, da frutto acerbo verde a maturo rosso, giallo ecc. A livello cellulare si trasformano in cromoplasti, la clorofilla viene degradata e di conseguenza si evidenziano i carotenoidi che danno la caratteristica colorazione gialla. Altro fenomeno è l'ingiallimento delle foglie, in cui quelli che erano cloroplasti diventano cromoplasti. Altra conversione è quella delle patate, frutti sotterranei (tuberi), se tenute per poco tempo alla luce assumono un colorito verdastro perché gli amiloplasti presenti si convertono in cloroplasti.

Lipidi e proteine vegetali

Le membrane vegetali hanno le stesse caratteristiche di quelle che abbiamo nella cellula animale, con qualche differenza nei tipi di lipidi che troviamo e nelle proteine. I trigliceridi delle foglie sono spesso insaturi, mentre quelli di frutti e semi sono di natura varia. Gli oli vegetali sono ricchi di acidi grassi insaturi, le piante di climi caldi producono trigliceridi con più acidi grassi insaturi. I lipidi vegetali contengono steroli vegetali e non colesterolo. Le proteine vegetali tendono a scarseggiare di aminoacidi essenziali: nel mais scarseggia lisina, nei fagioli la metionina. I cereali sono ricchi di aminoacidi solforati mentre le leguminose sono ricche di lisina, quindi una dieta equilibrata prevede l'assunzione di entrambi.

Vacuolo

I vacuoli vegetali sono molto simili alle vescicole animali, ma sono di dimensione maggiore, e svolgono numerose funzioni.

Principali funzioni svolte dal vacuolo nella cellula vegetale

• Riduzione dei mezzi relativi all'amplificazione della superficie di contatto pianta/ambiente e incremento dell'efficienza della pianta nell'acquisizione dei nutrienti.
• Funzione osmotica, insieme al citoplasma e alla parete cellulare:
  • Sostegno meccanico (turgore);
  • Generazione della forza motrice necessaria per la crescita cellulare;
  • Funzionamento degli stomi;
  • Movimento di parti della pianta.
• Accumulo di ioni e regolazione della loro concentrazione nel citoplasma e nell'apoplasto. Accumulo, sotto forma di sali, degli acidi organici prodotti dal meccanismo di regolazione del pH citoplasmatico.
• Accumulo di metaboliti con funzione di riserva.
• Accumulo di prodotti del metabolismo secondario.
• Funzioni litiche, funzione di escrezione, omeostatica e vessillifera.

Altre funzioni del vacuolo

Inclusioni solide → cristalli di ossalato di calcio, granuli di aleurone.

Ossalato di calcio

Il succo vacuolare ha un'importanza farmacognostica dei cristalli (ruolo ecologico). Gli alimenti che contengono quantità elevate di acido ossalico sono controindicati per chi soffre di calcoli renali. Il rapporto acido ossalico/calcio è <1 in lattuga, cavolo, pisello, cipolla. Circa 1 in patata e ribes. Raggiunge valori di 7 in bietola.