Biologia vegetale - appunti

prof: alma Balestrazzi

l’esame sarà una prova scritta con quattro domande libere e si terrà nello stesso giorno e nello stesso posto

di quello di biologia della cellula animale. Bisogna rimanere aderenti alla domanda: essere informativi, ma

sintetici. NOZIONI IMPORTANTI:

Le biotecnologie sono l’insieme di tecniche che mi consentono di utilizzare le cellule viventi per produrre

sostanze utili all’uomo, di interesse industriali (farmaceutica, in campo biomedico, industria agrochimica). Il

suo campo d’azione sono le cellule, il tessuto, gli organi.

A differenza della cellula animale, nella cellula vegetale ci sono i vacuoli, i cloroplasti e la parete cellulare.

Fotosintesi: si tratta della fissazione del carbonio atmosferico, produce molti zuccheri, dunque produce

biomassa.

Totipotenza: è una peculiarità della cellula vegetale ed è molto importante per il biotecnologo per produrre

sostanze di interesse industriale come farmaci e anticorpi.

Rudolf Virchow sviluppò la teoria cellulare nella seconda metà del 1800 con il suo microscopio pose le basi

di questa famosa teoria che si accompagna al detto “ogni singola cellula deriva solo ed esclusivamente da

un’altra cellula”, “Omnis cellula e cellula”. Ciò smentì le teorie poco scientifiche di quel tempo.

La teoria cellulare si è rafforzata ulteriormente con la ricerca condotta da Robert Hook che fu il primo a

utilizzare il termine cellula. Dal sughero, un tessuto vegetale, se ne studiarono le caratteristiche e

osservandolo deriva il concetto di cellula come componente di questi tessuti.

La teoria cellulare vera e propria dice che

- la cellula è l’unità fondamentale degli organismi viventi,

- gli organismi si distinguono in procarioti (batteri e cianobatteri) e eucarioti (con un sistema di

endomembrane).

- Gli eucarioti possono essere sia unicellulare sia pluricellulare.

Un organismo unicellulare che ha il nucleo, dunque che è un procariote, è il lievito (molto usato per lo studio

della crescita degli organismi eucarioti). I virus e i batteriofagi non sono organismi in quanto dipendono da

una cellula per la loro riproduzione.

 Involucro esterno, ovvero la parete cellulare (come nelle cellule vegetali) e serve per dare resistenza e

protezione, regola gli interscambi, aiuta inoltre a cementare tra di loro le singole cellule, ma è anche un

punto importantissimo di comunicazione (se arriva un fungo, una larva che bruca la foglia, partono dei

segnali (si staccano dei pezzi di parete) e segnalano alla cellula che c’è un pericolo).

 Membrana cellulare con proteine

 Cromosoma batterico che si condensa a formare il nucleoide che si posiziona in una determinata regione

della cellula batterica a ridosso della membrana.

 Ribosomi: sede della sintesi proteica

 Apparato del Golgi che ha la funzione di modificare determinate proteine, o preparare materiale destinato

a essere secreto e trasferito a siti specifici. A sua volta si distingue nel liscio (modifica ulteriormente le

proteine) e ruvido (con ribosomi che sintetizzano proteine e fanno avvenire modifiche post traduzionali).

 Mitocondrio: sede di atp, centrale energetica della cellula

 Lisosoma: ha una funzione digestiva, contiene enzimi idrolitici. Nelle cellule vegetali non ci sono, ma viene

svolta questa funzione dal vacuolo.

Il nucleolo è la parte più condensata del nucleo e ha una funzione importantissima: sintesi RNA ribosomiali.

Ne produce maggiormente se servono più ribosomi.

Confronto cellule eucariotiche animali e vegetali:

cellula vegetale: contiene i plastidi che possono essere di vario tipo, il cloroplasto è un plastico, ci sono

diversi classi di plastidi e ognuno è specializzato in una funzione:

 Cloroplasto si trova nei tessuti verdi per la fotosintesi.

 Cromoplasti: danno il colore nei petali del fiore per esempio, essi accumulano pigmenti e danno colorazione.

 Amiloplasti che sono punti di immagazzinamento di amido si trovano dunque nel seme, nelle radici, nel frutto

e nel tubero della patata.

Una cellula si compone di molecole organiche o biomolecole, le cosiddette macromolecole che sono poi dei

polimeri (insieme di monomeri) e molecole inorganiche.

Molecole organiche:

Macromolecole:

 Dna, polimeri di deossinucleotidi

 RNA, polimeri di nucleotidi

 Proteine, polimeri di amminoacidi

 Polisaccaridi, polimeri di zuccheri semplici

Mesomolecole: lipidi, zuccheri, vitamine, cofattori (questi ultimi servono per gli enzimi per catalizzare la loro

reazione e possono essere ioni metallici o anche molecole più complesse).

Molecole inorganiche:

acqua e ioni minerali (microelementi essenziali eprchè tanti enzimi non lavorano se non ci sono ioni zinco,

manganese, anche la parete cellulare necessita di ioni calcio, boro).

La cellula, eucariotica e procariotica, è l’unità morfologica e funzionale di ogni organismo. La cellula ha

attività e funzioni vitali che sono indicate con il nome di metabolismo (insieme delle funzioni che servono

alla cellula per svolgere la sua attività). Il metabolismo è la somma dell’anabolismo (razione di biosintesi) e

catabolismo (reazioni biochimiche di degradazione). Una reazione chimica o biochimica può essere

esoergonica o endoergonica a seconda se libera energia o meno.

La cellula ha bisogno di nutrimenti che vengono assorbiti dalla cellula e vanno incontro a degradazione per

la liberazione di monomeri. I catabolic pathways degradano e liberano energia e calore. L’energia serve per

la sintesi di macromolecole, ovvero negli anabolic pathways. È dunque indispensabile l’ATP:

adenosintrifosfato, una molecola ad alto contenuto energetico, se la cellula deve spendere energia si ha

idrolisi di atp con rottura del legame con il fosfato terminale della molecola di Atp, altrimenti si sintetizza atp

da adp e gruppo fosfato inorganico.

gli organismi viventi in base alla nutrizione si dividono in autotrofi ed eterotrofi. Gli autotrofi (piante) sono

in grado di organicare, produrre molecole organiche partendo da molecole semplici. L’esempio classico è la

fotosintesi: produzione di carboidrati partendo da acuqa e CO grazie all’energia solare che viene convertita

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dunque in energia chimica.

Le molecole organiche contengono un’energia superiore rispetto a quella delle molecole inorganiche,

dunque la loro sintesi richiede un apporto esterno di energia.

Processi che forniscono energia alla cellula eucariotica

- Autotrofi: la fotosintesi e la respirazione.

- Eterotrofi: la respirazione e la fermentazione (questa in assenza di ossigeno).

Non si può parlare di metabolismo energetico se non si parta di atp. L’atp serve come molecola di scambio

energetico e si parla di potere riducente, metabolismo redox della cellula. Il potere riducente o metabolismo

redox della cellula sono reazioni di ossidoriduzione, scambio di elettroni. Dunque si tratta di energia di tipo

chimico sotto forma di adenosintrifosfato (ATP) o di composti ridotti (NADH, NADPH …).

ORGANISMI AUTOTROFI:

possono essere fotosintetici o chemiosintetici:

- Organismi fotosintetici: l’energia necessaria per organicare viene ricavata dalla luce. Ne sono un esempio le

alghe, i cianobatteri, le piante verdi.

- organismi chemiosintetici ricavano energia da substrati ricchi di zolfo per esempio, tramite reazioni

esoergoniche. Quest’ attività è tipica degli archeobatteri che sono microrganismi estremofili, sono

antichissimi e si sono ambientati in condizioni ambientali estreme (sopravvivere a temperature al sotto dello

zero, o al di sopra dei 100 gradi, o in ambienti molto basici o acidi).

ORGANISMI ETEROTROFI:

Sono la maggior parte batteri, funghi, piante superiori parassite, animali. Noi non riusciamo a organicare

(catturare energia luminosa e convertirla in energia chimica), ma riusciamo a sintetizzare molecole

complesse partendo da molecole pre-formate e ottenute dall’esterno. Dunque noi riusciamo a organizzare,

non organicare.

(Guard BENE schemino nutrizione degli organismi viventi anche i nutrimenti e la fonte di energia secondaria.

)

(sostanze ridotte a ossidare= per ricavare energia).

Il nostro pianeta ha avuto origine circa 4 miliardi e mezzo di anni fa dalla nebulosa solare: c’era un disco di

polveri in rotazione all’origine da cui si è formato il sole e in seguito a condensazione del materiale che vagava

nello spazio si sono verificate delle collisioni da cui si sono formati i protopianeti e anche la terra.

4 miliardi di anni fa le prime molecole si sono formate e si sono duplicate. Da qui si è evoluta la cellula di tipo

eucariotico e poi anche quella vegetale. (non chiede cos’è un eone, un’era ecc)

La cosa importante è che nel nostro pianeta si sono succedute diverse tipologie di atmosfera:

1. idrogeno e elio,

2. una seconda atmosfera costituita da vapore acqueo, anidride carbonica e azoto.

3. La terza atmosfera ricca di ossigeno invece e si formò in seguito alle attività delle alghe verdi azzurre che

avevano la capacità di far fotosintesi ossigenica.

Si è verificata poi nel tempo quella che è la progressiva colonizzazione delle terre da parte dei primi organismi

che lasciarono l’ambiente acquatico e che hanno dovuto proteggersi da eccessiva perdita d’acqua e

sviluppare strutture che consentono supporto alla pianta (lignina) per poi poter sviluppare la struttura che

noi conosciamo oggi.

Teoria dell’endosimbionte :

il mitocondrio e il cloroplasto hanno caratteristiche tipiche procariotiche, di un batterio, da queste

osservazione è nata l’idea e poi è stata sviluppata l’ipotesi che si siano originati da un antenato, da un

batterio che è stato assimilato da un altro antenato, questa volta della cellula eucariotica. Si instaurò una

simbiosi (scambio reciproco di sostanze).

Negli anni si è scoperto che c’è stato uno scambio di geni tra mitocondrio, cloroplasto e nucleo della cellula

eucariotica.

Questa teoria è stata poi ripartita in altre sotto ipotesi:

 Mito-early: l’antico batterio è stato acquisito molto presto, early, lungo la scala evolutiva quando la cellula

eucariotica non era ancor ben sviluppata.

 Mito-late (si dice maito): il batterio che poi ha dato origine al mitocondrio è stato acquisito più avanti lungo

il percorso evolutivo quando la cellula eucariotica aveva già sviluppata il sistema di endomembrane.

 Mito-intermediate: l’acquisizione del batterio è avvenuta in una fase temporale intermedia.

Questa teoria copre una gamma di tempo enorme. Great oxygenation event: quando c’è stato un riversare

quantità massicce di ossigeno da parte dei cianobatteri nell’atmosfera: si è riversato da prima negli oceani e

poi è passato all’atmosfera, l’ossigeno interagì con il ferro e si depositavano sotto forma di sedimenti, strati

molto rossi grande concentrazione di ferro. Punto di datazione per dare un riscontro a questa ipotesi



evolutiva.

(Guarda bene la foto evoluzione eucariote)

Il fatto che da quella che è una cellula eucariota ancestrale, ma con il procariote, si sia sviluppata il

cloroplasto, una cellula vegetale, ci dice che c’è stato un adattamento all’ambiente che ha spinto il

progenitore verso una linea vegetale piuttosto che animale.

LAST EUKARUOTIC COMMON ANCESTOR :

Si tratta del nodo cruciale da cui poi c’è stata la divergenza tra vegetali e animali. Si studia molto chi fosse

l’antenato comune ad entrambi. Il progenitore di tutte le cellule eucariotiche conteneva un mitocondrio

derivatoro da un proteo- battere. Il termine proteo battere deriva da una divinità greca con la caratteristica

di cambiare forma, ecco perché si chiama così. A seconda della nicchia ecologica, ovvero delle caratteristiche

dell’ambiente in cui si trovava si è sviluppato diversamente.

Guarda bene schema albero, evoluzione degli organismi vegetali ramo marrone indica l’inizio



dell’antenato comune unicellulare sia delle piante sia degli animali. Quest’ultima divergenza è stata stimata

1.7 milioni di anni fa.

Evoluzione delle piante:

Le piante si sono sviluppate da un’alga ancestrale che si è poi evoluta e ha dato origine a piante non vascolari

(muschi), piante vascolari (piante che fanno semi e quelle no). Le piante si sarebbero evolute da un’alga

verde acquatica (protista). I protisti raggruppano organismi dotati di un nucleo ben definito, ma che tuttavia

non possono essere assegnati ad alcun regno. Questi organismi poi hanno colonizzato le terre, c’è stata la

ricerca di nuovi ambienti in cui non ci sia competizione per il recupero di nutrienti (questo ha spinto la

migrazione di organismi vegetali dall’ambiente acquatico a quello terrestre), ma quando un organismo va in

contro a un cambiamento così drastico dell’ambiente si deve adattare. Si sono dunque sviluppate le piante

come le conosciamo adesso.

Il passaggio dall’ambiente acquatico a quello terrestre ha portato alcuni benefici e vantaggi:

- le piante si trovano a dover competere meno per l’utilizzo dell’energia solare, è dunque uno stimolo per

l’attività fotosintetica.

- Le piante captano, assorbono energia luminosa e la convertono con la fotosintesi per produrre proteine

carboidrati, lipidi fondamentali per la sopravvivenza.

- L’acqua trattiene le radiazioni della luce, dunque le piante primordiali che vivevano negli oceani non

prendevano una luce perfetta per la fotosintesi poiché veniva filtrata.

Il mesofillo fogliare è il tessuto fogliare verde (vedi foto) costituito da cellule adiacenti e i corpuscoli verdi

brillanti sono i cloroplasti che contengono la clorofilla (pigmenti fotosintetici), sono cellule altamente

specializzate svolgono un'unica funzione importantissima (che è quella della fotosintesi). Le cellule non



specifiche hanno il compito invece di proliferare.

Dunque un possibile stimolo per emigrare dall’ambiente acquatico era che quest’ultimo diventava troppo

competitivo per la luce necessaria per la fotosintesi. Le lunghezze d’onda assorbite da un pigmento (una

molecola con una struttura chimica ben definita (doppi legami) che consente di assorbire un fotone

(carotenoide, clorofilla di tipo A/B)) sono ben definite e in particolare le clorofille hanno un picco di

assorbimento nelle regioni blu e rosse dello spettro. Queste ultime però non riescono a penetrare

nell’ambiente acquatico poiché vengono filtrate. Questi organismi fotosintetici, antenati delle moderne

piante, che vivevano nell’ambiente acquatico non ricevevano corrette lunghezze d’onda. Sulla superficie

terrestre invece la pianta sfrutta al meglio la radiazione solare poiché tali lunghezze d’onda arrivano

direttamente ad esse.

Queste piante tuttavia hanno dovuto fare i conti con il problema della disidratazione poiché le condizioni

dell’ambiente terrestre spingono alla disidratazione, inoltre si è spinto il problema del sostegno.

L’acqua infatti le sosteneva, sulla terra invece hanno dovuto sviluppare strutture e sistemi molto specializzati

il tessuto fogliare ha dovuto rivestirsi di sostanze protettive come la cuticola (evitava l’eccessiva



fuoriuscita di acqua), si sono evoluti anche degli stomi (piccole aperture che si possono aprire o chiudere:

quando si aprono passa anidride carbonica, ma anche vapore acqueo, consentendo dunque gli scambi

gassosi. La CO serve per la produzione di carboidrati nella fase metabolica della fotosintesi).

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Il fusto serve per il trasporto di nutrimenti e acuqa assorbiti dalle radici che servono anche per l’ancoramento

al tessuto. Questi eventi si sono distribuiti in un arco di tempo molto vasto.

Al di là dell’incredibile biodiversità della natura ci sarà sempre l’organizzazione in radice, fusto e foglie che è

il risultato dell’adattamento all’ambiente terreste.

Bisogna sempre ricordare che le piante sono organismi immobili la pianta non può fuggire a condizioni



ambientali sfavorevoli, si deve adattare sempre. Deve avere una rapida interazione con l’ambiente per capire

i cambiamenti (di temperatura, nutrimenti o l’arrivo di un patogeno), deve elaborare queste informazioni e

le deve mandare al nucleo dove c’è l’informazione genetica e la risposta a questi problemi dunque. Sono

organismi molto abili grazie a dei recettori molto complessi, hanno dovuto sviluppare una sensibilità molto

maggiore poiché sono immobili.

Qualcosa che non si verifica nella pianta è la migrazione della cellula (come l’embrione che sviluppa i vari tipi

di tessuto e di organo, c’è dunque una migrazione di gruppi di cellule). Le cellule vegetali in un tessuto infatti

sono bloccate dalla parete, questo non consente una migrazione, uno spostamento di tali cellule.

Le differenze tra il sistema di sviluppo dell’organismo animale e vegetale:

nell’organismo vegetale si ha la fecondazione, lo zigote con suddivisioni cellulare successive si sviluppa

nell’embrione che è chiuso nel seme che con i suoi tessuti lo avvolge, si trova in uno stato di quiescenza e

viene diffuso nell’ambiente. La ripresa del metabolismo si ha quando c’è la percezione di condizioni

ambientali favorevoli: la presenza di acqua fa si che dal seme si abbia la diffusione di una radichetta e due

cotiledoni verdi (le foglioline). Parte solo ora la germinazione e gli organi si formano dunque in un secondo

momento.

Negli animali invece l’organogenesi (lo sviluppo) avviene in un ambiente protetto come l’uovo o il grembo

materno.

Nei vegetali sono disgiunte l’embriogenesi e l’ organogenesi perché la pianta è immobile, dunque la

crescita e lo sviluppo sono influenzati da svariati fattori ambientali.

L’agricoltura sta soffrendo situazioni drammatiche: aumento della desertificazione, effetti dell’utilizzo di

fertilizzanti, cambiamenti climatici, l’area di suolo che pu&ogra