botanica - citologia, istologia, briofite, pteridofite, gimnosperme, angiosperme

Botanica parte di citologia

1. Origine della vita

1.1 Origine

• Teoria Big Bang – inflazione: l'universo nasce da un punto di infinita densità e temperatura che si sarebbe espanso autogenerandosi 13,7 miliardi di anni fa.
• 4,5 milioni di anni fa: nascita della Terra
• 3,9 milioni di anni fa: nascita della vita
• Gli esseri viventi sono sistemi:
  • Complessi: formati da più parti
  • Aperti: scambiano con l’esterno materia ed energia
  • Ordinati
  • Dotati di metabolismo
  • Dotati di uniformità chimica
  • Capaci di rispondere agli stimoli
  • Dotati di omeostasi
  • Dotati di un lasso di vita definito
  • Dotati di un programma genetico
  • Capaci di riprodursi
  • Costituiti di cellule
  • Capaci di evolversi
• Caratteristiche delle piante:
  • Eucarioti pluricellulari autotrofi fotosintetici
  • Sessili (= incapaci di spostarsi; ancorati ad un substrato)
  • Parete pecto-cellulosica
  • Amido come forma di riserva carboidratica prevalente

I vegetali globalmente costituiscono il 99.5% della biomassa sulla Terra. Essi ricoprono un importantissimo ruolo in quanto assorbono CO₂ e liberano in atmosfera l’ossigeno indispensabile per i processi metabolici aerobici. Essi inoltre costituiscono la base della catena alimentare in quanto produttori autotrofi. I vegetali producono anche tutta una serie di sostanze utili per l’uomo: combustibili fossili, farmaci, ecc. Infine, recentemente è stato scoperto che alcuni vegetali possono essere utilizzati per bonificare zone inquinate in quanto in grado di assorbire determinati prodotti tossici, come l’arsenico: questo processo prende il nome di fitorimediazione.

1.2 Procarioti

• Procarioti: i procarioti dominano la storia evolutiva da 3,5 a 2 miliardi di anni fa
  • Eterotrofi: i primi organismi erano eterotrofi che si nutrivano delle molecole presenti nell'ambiente, principalmente composti organici nati per reazioni che avvenivano grazie alle particolari condizioni della Terra primitiva. Erano fermentatori anaerobici (vivevano in ambienti anossici e operavano la fermentazione).
  • Autotrofi: con il passare del tempo queste fonti alimentari iniziarono a non essere sufficienti: questa spinta evolutiva portò alla nascita dei primi autotrofi: batteri che utilizzano la luce solare per la produzione di energia, e come fonte di carbonio utilizzano carbonio inorganico (CO₂) da cui ricavano anche ossigeno, mentre come fonte di H⁺ utilizzano composti minerali ridotti (H₂O, H₂S, H₂):
    • Solfobatteri rossi e verdi: furono i primi autotrofi, e utilizzavano una fotosintesi anaerobica: ossidano solfuri (H₂S) e zolfo elementare (S)
    • Cianobatteri: utilizzavano fotosintesi ossigenica: usavano H₂O come donatore di e- e di H⁺ con rilascio di ossigeno; grazie ai cianobatteri l’ossigeno inizia ad accumularsi nell’atmosfera 2,7 miliardi di anni fa: l’atmosfera gradualmente passa da riducente ad ossidante (grande vento ossidativo)
• Formulazione del principio della biogenesi:
  • Aristotele: generazione spontanea = dalla materia inanimata si forma spontaneamente la vita (abiogenesi) e questa è continuamente generata dagli influssi vitali dei quali la materia è permeata.
  • Francesco Redi: non nascevano larve sopra la carne, se questa era sigillata (o coperta con garza) in un recipiente in modo che gli insetti non potessero depositarvi le uova.
  • Antony van Leeuwenhoek: scopriva i microrganismi grazie ad una lente d'ingrandimento.
  • Lazzaro Spallanzani: dimostrò che liquidi isolati e bolliti rimanevano sterili. Obiezione: Il riscaldamento delle infusioni altera le condizioni dell'aria impedendo la vita all'interno dei recipienti chiusi.
  • Louis Pasteur: confutazione della generazione spontanea = ripetè gli esperimenti di Spallanzani, ma con accorgimenti tecnici (matracci a collo di cigno) che li resero inconfutabili.
  • Si arrivò alla formulazione del principio della biogenesi (vita dalla vita): qualsiasi forma di vita proviene da una forma di vita preesistente.
• Oparin: dato che il principio della biogenesi non spiega come si sia creato il primo essere vivente (LUCA = last universal common ancestor) dal quale si sono originati tutti gli altri (che è nato per abiogenesi), Oparin propose che la vita non è sorta in un pianeta simile alla Terra attuale, ma su una Terra giovane, caratterizzata da:
  • Scariche elettriche,
  • Radiazioni ultraviolette,
  • Attività vulcanica imponente,
  • Composizione particolare dell’atmosfera: brodo primordiale = senza ossigeno libero, ma formata da una miscela di gas (H₂O, N₂, CO₂, H₂S che in presenza di H₂ formano CH₄ e NH₃) che entrano in soluzione negli oceani.

Oparin propose 4 tappe di un ipotetico scenario di formazione della vita:

• Sintesi abiotica di piccole molecole organiche o monomeri, quali aminoacidi e nucleotidi
• Unione di queste piccole molecole (monomeri) in polimeri, quali proteine ed acidi nucleici (fu l’RNA il primo materiale genetico: proprietà catalitiche e di trasmissione di informazione genetica). È dimostrato sperimentalmente che il calore e la vaporizzazione dell’acqua su opportuni substrati inducono la spontanea aggregazione di monomeri in polimeri.
• Origine di molecole dotate di potere di autoreplicazione, che finirono per rendere possibile l’ereditarietà.
• Impacchettamento di queste molecole all’interno di protobionti = aggregati molecolari, circondati da una membrana, capaci di mantenere un ambiente chimico interno diverso da quello circostante e che mostrano alcune delle proprietà associate alla vita: metabolismo ed eccitabilità.
• I protobionti evolvero a procarioti.

Miller: confermò l’ipotesi di Oparin dimostrando la sintesi degli amminoacidi nel brodo primordiale.

• Procarioti:
  • Vantaggi:
    • Piccole dimensioni
    • Semplicità metabolica
  • Svantaggi:
    • Limite al numero di diverse attività metaboliche che possono svolgersi contemporaneamente
    • La dimensione ridotta del genoma limita il numero di geni codificanti enzimi che controllano queste attività

1.3 Eucarioti

• La compartimentazione di funzioni differenti nella stessa cellula ha permesso la comparsa degli eucarioti circa 2,1 miliardi di anni fa
• Teoria endosimbiontica: più di un miliardo di anni fa, dei procarioti ancestrali colonizzarono le cellule eucariotiche primordiali, prive della capacità di metabolizzare l’ossigeno, ed iniziarono con esse una simbiosi:
  • Ipotesi: i plastidi si sono formati a seguito di un evento endosimbiontico:
    • Mitocondri: derivano da un procariota aerobio eterotrofo.
    • Cloroplasti: derivano da un procariota aerobio autotrofo (cianobatterio ancestrale). Si suppone che prima siano comparsi organismi con mitocondri (che difatti sono presenti in tutti gli eucarioti), e successivamente alcuni di essi abbiano inglobato anche microrganismi destinati a divenire plastidi.
  • Si ipotizza inoltre che siano avvenute due tipologie di endosimbiosi:
    • Endosimbiosi primaria: il proto-eucariote fogocita il procariota (cianobatterio ancestrale), il quale non viene digerito dal proto-eucariote, forse perché fuoriuscito dal vacuolo o perché l’eucariote avrebbe perso la capacità di digerirlo. Il procariota perde la sua parete e più del 90% del suo genoma (vengono degradati e usati come nuovo materiale dall’ospite). Dall’endosimbiosi primaria si genera un’alga eucariotica unicellulare.
    • Endosimbiosi secondaria: data la varietà strutturale dei cloroplasti si ritiene che siano avvenuti fenomeni di endosimbiosi secondaria, molte volte e in maniera indipendente, tra un eucariote eterotrofo ed un’alga eucariotica unicellulare. Si può spiegare allora la presenza in certi taxa, di plastidi con 3-4 membrane plastidiali.

Dati a favore dell’ipotesi:

• La dimensione dei plastidi è simile a quella di un batterio
• Contengono un proprio DNA circolare (anche se non sono autosufficienti)
• Possono dividersi per scissione binaria come i procarioti
• Presentano ribosomi batterici (70S) e non eucariotici (80S)
• Inibizione della sintesi proteica con cloramfenicolo e rifampicina (antibiotici)
• Hanno due membrane a composizione diversa:
  • Interna batterica: ricca di solfolipidi e galattolipidi
  • Esterna eucariota

Ipotesi endosimbiontica del nucleo: alcuni autori sostengono che non soltanto cloroplasti e mitocondri derivino da eventi endosimbionti, ma sostengono anche che il nucleo abbia un’origine endosimbionte, cioè secondo loro esistevano varie tipologie di cellule molto semplici di tipo eucariotico, in particolare 2 tipi:

• Raptor guest: cellula con stile di vita fortemente aggressivo, con rivestimento molto rigido, molto mobile (tipo tubulinico)
• Receptive host: rivestimento più lasso, molto fissa (tipo actinico)

Secondo questa teoria la cellula raptor guest entrò e colonizzò le cellule receptive host, formando una sorta di simbiosi, in cui il raptor guest sarebbe diventato il materiale nucleare e l’altra il materiale citoscheletrico. A seguito di questa interazione il receptive host avrebbe perso il materiale genetico, sostituito da quello del raptor guest, più attivamente espresso, oppure alcuni geni sarebbero passati all'interno del nucleo con uno scambio orizzontale del genoma. Questo passaggio non è un fenomeno insolito: difatti anche il genoma cloroplastico è migrato in parte nel nucleo, poiché ad esempio l’enzima rubisco, composto da numerose subunità, viene prodotto in parte dal nucleo, in parte dal cloroplasto. Alla base di questo sta la duplicazione di un gene e la sua migrazione nel nucleo, per poi scomparire dalla zona di origine. Non è una teoria che è stata completamente validata.

Teoria cellulare di Schwann e Schleiden

• Ogni essere vivente è costituito da cellule
• La cellula è la più piccola indipendente unità della vita
• Ogni cellula deriva da una cellula precedente

Tuttavia, le cellule vegetali non rispondono perfettamente a questa teoria, perché essa non tiene conto della struttura sovracellulare delle piante.

I vegetali sono organismi sovracellulari: le cellule vegetali non sono fisicamente separate, infatti:

• I citoplasmi sono interconnessi attraverso i plasmodesmi in assemblaggi sovracellulari circondati da membrana plasmatica: l’unione dei citoplasmi è detta peripheral apparatus = rappresenta le vestigia della protocellula host basata sull’actina, che si è specializzata per la protezione del cell body, per il controllo della forma, e per lo scambio actina-dipendente di informazioni attraverso il plasmalemma.
• All’interno di questi domini citoplasmatici sono contenuti complessi unitari nucleari e i microtubuli associati: cell body = rappresenta le vestigia della protocellula guest basata sulla tubulina che si è specializzata per la trascrizione, la conservazione e la compartimentazione del DNA attraverso l’organizzazione dei microtubuli.

Questa caratteristica è strettamente correlata al fatto che le cellule vegetali non si muovono ma sono saldate le une alle altre, per cui è necessario un raffinato sistema di comunicazione.

• Vegetali: modello per uno stile di vita immobile:
  • Minore complessità anatomica rispetto ai metazoi
  • Maggiore capacità di adattamenti fisiologici: mantengono un maggiore carattere di totipotenza
  • Crescita indefinita: mediante attività dei meristemi (cellule affini alle staminali) in grado di differenziare per tutta la vita dell'organismo
  • Le singole cellule sono strutture altamente dinamiche, così come le loro pareti. Le cellule vegetali non si spostano nemmeno durante lo sviluppo embrionale, al contrario dei metazoi dove si riscontra una migrazione di gruppetti di cellule. Quindi, la funzione che assumerà una cellula embrionale differenziandosi dipende unicamente dal tipo di cellule circostanti, per cui vengono rispettati degli schemi di differenziamento molto precisi.

2. Reticolo endoplasmatico (RE)

2.1 Disposizione

• RE corticale: rete tridimensionale di tubuli continui e sacculi appiattiti in stretta associazione con la membrana plasmatica e con la componente actinica del citoscheletro.
• RE tubulare interno: rete di cisterne tubulari e lamellari connesse a dare un continuum di membrana che racchiude un vasto lume che si stende per tutto il citoplasma. A differenza del RE corticale, il RE tubulare interno è molto mobile: strutture dinamiche che modificano continuamente la propria struttura.

2.2 Presenza di ribosomi

• RE ruvido: con ribosomi adesi alla membrana
• RE liscio: privo di ribosomi

2.3 Funzioni del RE

• Sintesi, assemblaggio e smistamento di proteine del sistema di secrezione
• Sintesi e accumulo di:
  • Proteine di riserva: nei cereali le proteine di riserva, insolubili in acqua, si accumulano nel RE formando corpi proteici, usati in seguito come fonte di aa durante la germinazione e la crescita delle piantule
  • Lipidi di membrana e trigliceridi di riserva: nei semi oleosi i corpi lipidici sono la riserva di trigliceridi, e questi corpi sono rivestiti da oleosine (= proteine integrali di membrana che stabilizzano la struttura del corpo lipidico)

3. Apparato di Golgi (GA)

3.1 Dittiosomi

• Il GA fa parte della via secretoria: come per le cellule animali, il GA è parte di un sistema interno di endomembrane, coinvolto nel pathway secretorio, essendo una via di passaggio nel traffico cellulare.
• Il GA nelle piante è dato dall’insieme di singoli complessi funzionali, i dittiosomi, formati da numerose pile, di 5-10 cisterne sovrapposte, appiattite al centro e più dilatate ai margini. Ad esse sono associate molte vescicole.
• Polarità del dittiosoma: possiamo distinguere 3 di cisterne:
  • Cisterne cis: rivolte verso il RE
  • Cisterne mediali
  • Cisterne trans: sono quelle localizzate più lontane del RE, e tra queste vi è il trans-Golgi network (= porzione caratterizzata da strutture tubulari con dilatazioni terminali da cui prendono origine le vescicole; è il punto dal quale avviene lo smistamento delle proteine destinate al vacuolo o al plasmalemma; chiamato TGN)
• La divisione in dittiosomi è necessaria dal momento che il citoplasma è spostato ai margini della cellula data la presenza del grande vacuolo centrale. Per ovviare a questa situazione la cellula vegetale deve movimentare una grande quantità di citoplasma e organelli; la diffusione dei dittiosomi nella cellula è quindi finalizzata ad: accorciare le distanze fra gli stessi e le destinazioni finali dei prodotti:
  • Dal RE al Golgi
  • Dal Golgi alla membrana plasmatica o al vacuolo

Nelle cellule animali, invece, gli elementi che formano l’apparato di Golgi si interconnettono formando un unico complesso nella zona perinucleare assemblandosi intorno ai centrosomi.

3.2 Interazione con l’actina

Le cisterne golgiane contengono una matrice ricca in proteine dette golgine, dalla struttura allungata, in grado di legarsi alle GTPasi per fornire energia. Sempre grazie a queste proteine è possibile il legame con le fibre citoscheletriche.

• Il GA è un sistema dinamico: le pile di cisterne del Golgi si spostano lungo i tubuli del RE corticale, grazie al fatto che i filamenti di actina sono sovrapposti alla rete di tubuli del RE, fungendo da guida per le cisterne.
• Forma appiattita delle cisterne: i filamenti di actina sono anche implicati nel mantenimento della forma appiattita delle cisterne golgiane interagendo con una sorta di scheletro proteico non noto.

3.3 GA durante la mitosi

Durante la mitosi delle cellule animali: il Golgi si frammenta in gruppi di vescicole e la secrezione si arresta. I nuovi apparati di Golgi originano dai gruppi di vescicole smistati nelle due cellule figlie. Negli animali il setto di separazione va in direzione centripeta.

Durante la mitosi delle cellule vegetali: il traffico proteico, lipidico, e la sintesi dei polisaccaridi parietali continuano, soprattutto durante la formazione della piastra cellulare. La duplicazione dell’apparato di Golgi avviene nel G2 mediante fissione delle cisterne precedenti. Nelle cellule vegetali il setto di separazione va in direzione centrifuga.

3.4 Funzioni del GA

• Maturazione e glicosilazione (= aggiunta di uno zucchero all'OH di specifici amminoacidi; importante per il folding, resistenza alla proteolisi, controllo di qualità) delle proteine neosintetizzate provenienti dal RE
• Sintesi di glicolipidi della membrana plasmatica e vacuolari
• Sintesi e assemblaggio dei polisaccaridi della matrice parietale: composti pectici, emicellulose

4. Trasporto vescicolare

4.1 Caratteristiche generali

• Il trasporto vescicolare prevede il trasporto di molecole contenute dentro vescicole da un compartimento donatore a un compartimento bersaglio.
• Esistono 3 tipi di trasporto vescicolare:
  • Esocitosi (via di secrezione) (via di default delle proteine): RE → GA → PLASMALEMMA (nessun propeptide specifico, rivestimento vescicole non ancora identificato). Ha 4 funzioni:
    • Crescita apicale (es: esocitosi direzionale nel tubetto pollinico per la crescita polare)
    • Formazione di nuova parete durante la citochinesi
    • Accumulo in regioni specializzate di sostanze per la vita di relazione: mucillagini, nettari, polisaccaridi, proteine
    • Ricambio dei componenti della membrana plasmatica
  • Smistamento: apporta le proteine ai giusti compartimenti, nei quali esse esplicano la propria funzione
  • Endocitosi: internalizzazione dal compartimento extracellulare e dalla membrana plasmatica. 3 funzioni:
    • Riciclo all’indietro dei componenti di membrana
    • Mantenimento delle dimensioni cellulari
    • Internalizzazione e degradazione segnali della comunicazione e di componenti di parete
• Ogni vescicola di trasporto deve:
  • Portare con sé composti specifici
  • Fondersi con la membrana bersaglio appropriata grazie a peculiari rivestimenti proteici

4.2 Trasporto delle proteiche attraverso il GA

→ Trasporto anterogrado (RE → GA cis → GA trans): esistono due modelli