Botanica: cellula vegetale e parete

LA CELLULA VEGETALE.

Nelle cellule di tutti gli organismi viventi è indispensabile che si crei una superficie di scambio il più ampia

possibile: il rapporto superficie-volume (cioè la superficie relativa della cellula, attraverso cui avvengono

gli scambi) deve essere più grande possibile. La cellula vegetale però ha alcune caratteristiche che ci

permettono di differenziarla da quella animale.

Al microscopio possiamo riconoscere le cellule vegetali perché al loro interno distinguiamo tanti piccoli

organelli chiamati cloroplasti che tendono ad aumentare la superficie relativa; nelle Alghe, piante molto

primitive, spesso troviamo solamente uno o due cloroplasti, mentre nelle piante superiori è presente una

maggiore quantità di cloroplasti che aumenta la capacità della cellula di orientarsi verso la luce (i

cloroplasti, infatti, possono orientarsi nel citoplasma).

Le foglie di un albero sono milioni, in modo da aumentare le superfici di scambio. I tessuti delle singole

foglie sono formati da cellule molto piccole: sulla porzione superiore la funzione principale è quella

fotosintetica (nelle piante dicotiledoni si nota una differenza anche ad occhio nudo fra le due facce della

foglia), mentre sulla porzione inferiore della foglia gli spazi intercellulari sono maggiori, per favorire gli

scambi gassosi. Nelle foglie dicotiledoni il tessuto fotosintetico della faccia superiore della foglia è detto “a

palizzata” perché le cellule sono molto ravvicinate fra loro.

Osservando una singola cellula con un microscopio molto sensibile si può distinguere il vacuolo, pieno di

liquidi o sostanze utili alla cellula (alcaloidi, cristalli, metaboliti o, nelle piante iperaccumulatrici, metalli

pesanti). Il vacuolo occupa la porzione centrale della cellula e permette a questa di svilupparsi in

dimensioni maggiori (poiché, a differenza di altri organelli, non ha bisogno di energia per svolgere la sua

funzione). Inoltre, il vacuolo spinge il materiale che metabolicamente richiede energia verso la parete

esterna della cellula, facilitando l’assorbimento di sostanze e la comunicazione con le cellule vicine.

La comunicazione fra diverse cellule vegetali adiacenti avviene attraverso i plasmodesmi: canali in cui

passa un tubulo del citoscheletro, che attraversano le pareti cellulari.

I primi organismi vegetali ritrovati sono organismi Procarioti, è attraverso un lungo processo di evoluzione

che sono nati gli organismi Eucarioti:

 Nei Procarioti non è presente una compartimentazione, il nucleo non è presente, ma si può

distinguere solo un nucleoide che contiene la molecola circolare di DNA. La struttura dei Procarioti

risale a 3,5 miliardi di anni fa, quindi non sono presenti nemmeno i pigmenti fotosintetici.

 Nei Procarioti fotosintetici sono presenti alcuni pigmenti legati alle membrane che hanno la

capacità di operare la fotosintesi (i Cianobatteri, anche chiamati Alghe azzurre, sono Procarioti

fotosintetici che vivono in colonie. Nella colonia solitamente si trovano cellule non colorate dette

eterocisti, in grado di accumulare azoto molecolare e di mantenere in vita la colonia anche in

assenza di ossigeno. Gli eterocisti sono presenti anche in molti altri organismi che hanno proprietà

di azotofissatori come la Felce acquatica, inoltre si possono utilizzare nell’agricoltura di specie

acquatiche come fertilizzante naturale, per esempio nelle risaie).

 L’Eucariote fotosintetico unicellulare: a partire da questa fase dell’evoluzione possiamo distinguere

una compartimentazione a livello degli organelli cellulari, circondati da una o due membrane. gli

organismi Eucarioti unicellulari presentano un nucleo ben delimitato, con un grande unico

cloroplasto a coppa e un pirenoide, sito preferenziale di accumulo di amido dentro al cloroplasto (il

cloroplasto ha la doppia funzione di portare a compimento la fotosintesi e di accumulare l’amido,

quindi ha bisogno di un’ulteriore organizzazione interna; nelle piante superiori queste due funzioni

si trovano in cellule diverse specializzate). Secondo la teoria endosimbiotica, il passaggio da

Procarioti a Eucarioti fotosintetici può essere interpretato come il risultato dell’inglobazione da

parte di un Eucariote ancestrale di un Procariote (il mitocondrio) e di un Procariote fotosintetico

(un Cianobatterio); questa mancata fagocitazione è alla base della conquista della terraferma da

parte dei vegetali circa 450 milioni di anni fa.

 I vegetali superiori, organismi ben organizzati ed evoluti, sono frutto di una simbiosi molto antica

che ha permesso la colonizzazione della terra emersa. Sono organismi fotosintetici pluricellulari; le

loro cellule si sono specializzate per svolgere diverse funzioni e permettono la divisione

dell’organismo in tre parti fondamentali con diverse funzioni (radici, fusto e foglie). In ogni cellula

fotosintetica sono presenti non solo nucleo, reticolo endoplasmatico ed apparato del Golgi, ma

anche vacuolo e cloroplasti (nelle cellule non fotosintetiche dei petali non sono presenti cloroplasti

ma cromoplasti, nelle radici sono presenti amiloplasti). Le cellule degli attuali organismi

pluricellulari sono simili a quelle degli eucarioti unicellulari, ma sono specializzate a svolgere una

determinata funzione, utile alla vita dell’organismo di cui sono parte (per esempio le cellule delle

foglie di mais sono fotosintetiche come quelle di molte Alghe unicellulari, ma a differenza di queste,

facendo parte di un organismo complesso, dipendono da altre cellule per l’acqua, i minerali e la

protezione dal disseccamento).

Differenze fra cellula animale e vegetale

Molti degli organelli presenti nella cellula animale appaiono molto simili a quelli della cellula vegetale, ma

fra queste due esistono alcune differenze:

 La presenza del vacuolo nelle cellule vegetali (sostituito dai lisosomi nella cellula animale)

 La presenza della membrana cellulare nelle cellule vegetali

 La presenza di plastidi nelle cellule vegetali (sede di molte funzioni metaboliche della pianta)

 La presenza di lisosomi nella cellula animale

 Alcune diversità nel processo di divisione per mitosi (fra cui l’assenza di centrioli nelle cellule

vegetali, che conferiscono al fuso mitotico una forma più tozza e meno appuntita).

Gli organelli della cellula vegetale non restano fermi, ma si muovono scorrendo sul citoscheletro a causa

delle cosiddette correnti citoplasmatiche, o ciclosi.

Si indica con il termine protoplasto l’insieme di citoplasma (composto da organelli, sistemi di membrane e

ribosomi sospesi nel citosol, e delimitato dal plasmalemma) e nucleo, privo di membrana e parete

cellulare. All’interno del citoplasma possiamo anche trovare delle cavità piene di liquido dette vacuoli,

delimitate da una sola membrana, il tonoplasto.

Per studiare i trasporti della cellula vegetale è indispensabile utilizzare enzimi che siano in grado di

digerirne la parete cellulare. È utile ottenere protoplasti in vitro perché alcune cellule vegetali mantengono

la loro capacità di riproduzione totipotente per tutta la vita e possono essere indotte alla produzione di

particolari tipi di cellule a scopi farmaceutici o di floricoltura.

Nucleo delle cellule vegetali

Il nucleo delle cellule vegetali non è molto diverso da quello delle cellule animali, ma ha alcune

particolarità. Le piante hanno un metodo di accrescimento diverso perché agli apici del tronco e delle radici

mantengono gruppi di cellule totipotenti che garantiscono la crescita durante tutta la vita (nel corpo di un

essere umano adulto non sono presenti cellule totipotenti, infatti la crescita si arresta, mentre quando

formiamo una talea di una cellula vegetale sfruttiamo le cellule totipotenti di questa per permetterle di

ricrescere). Il nucleo giustifica la potenzialità dei vegetali di riprodursi anche in vitro a partire da un

espianto anche molto piccolo posto in opportuni ambienti di crescita (ricchi di sali minerali) che sono

idonei allo sviluppo di un callo e, successivamente, di una nuova pianta completa.

Le cellule totipotenti rimangono sempre in ciclo di riproduzione; quando devono diventare adulte e

specializzarsi sviluppano la parete cellulare, il vacuolo e i plastidi (che diventeranno cloroplasti) per le

foglie, piuttosto che una parete lignificata nelle cellule del fusto.

Schema tridimensionale della cellula vegetale

Se osserviamo una sezione della cellula vegetale, noteremo sicuramente alcune caratteristiche principali:

- La parete cellulare, formazione semirigida, all’esterno della membrana plasmatica. Esistono dei

canali citoplasmatici detti plasmodesmi che attraversando lo spessore della parete (tramite

perforazioni chiamate punteggiature) connettono i protoplasti di cellule adiacenti (continuità

citoplasmatica, nota come simplasto). I plasmodesmi hanno una struttura piuttosto complessa:

attraverso un plasmodesma non passa solo la membrana plasmatica, ma anche un tubulo di

reticolo endoplasmatico, chiamato desmotubulo, che è in connessione con il reticolo della cellula

adiacente. Il trasporto via plasmodesma avviene tramite il manicotto citoplasmatico che circonda il

desmotubulo stesso. I plasmodesmi permettono il passaggio di acqua, soluti e molecole a basso

peso molecolare. Più plasmodesmi possono essere riuniti nella parete primaria in un campo di

punteggiature primarie. I plasmodesmi non sono dei semplici canalicoli, ma sono punti di passaggio

selettivi, ed il flusso simplastico può essere modulato dall’anello contrattile, presente ai due lati e

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formato da proteine Ca sensibili.

- I cloroplasti discoidali, localizzati nello strato di citoplasma subito al di sotto della parete;

- Il vacuolo, delimitato dal tonoplasto, che occupa gran parte del volume della cellula ed è

attraversato da alcune briglie di citoplasma;

- Il nucleo delimitato dall’involucro nucleare e contenente il nucleolo. Il nucleo ha un’organizzazione

molto complessa (eterocromatina / eucromatina, proteine istoniche / non istoniche) ed ha

molteplici funzioni: controlla lo svolgimento delle attività della cellula, determinando quali

molecole proteiche debbano essere prodotte e in quale momento; racchiude la maggior parte

dell’informazione genetica della cellula e la trasmette alle cellule figlie con la divisione cellulare.

Alcune specificità del nucleo della cellula vegetale sono: l’organizzazione spaziale della cromatina (che può

presentare diverse tipologie), i meristemi (che permettono differenziazione e accrescimento indefinito e

assenza di distinzione tra linea generativa e linea somatica), totipotenza e rigenerazione.

La mitosi nella cellula vegetale

Quando la cellula va in mitosi si ha una progressiva condensazione della cromatina e la comparsa dei

cromosomi, le cui molecole di DNA portano l’informazione genetica. Diverse piante hanno diversi numeri

di cromosomi (per esempio il frumento ne ha 42, mentre un tipo di