Riassunto esame Botanica Generale, prof. Papini

Importanza della biodiversità

La storia ci insegna che alcune piante hanno un’importanza notevole, soprattutto a livello farmacologico. Esempi importanti sono la Vinca Rosea e il Cataratus reseus, fonti di vincristina e vinblastina, antibiotici da muffe. C’è una relazione tra biodiversità ed evoluzione: la biodiversità misura la densità degli organismi in un certo momento nel tempo, l’evoluzione rappresenta il cambiamento di biodiversità nel tempo.

Chimica cellulare

Tutti gli organismi sono caratterizzati dalla presenza di sostanze chimiche e soprattutto molecole organiche. Sono generalmente composte da H, C, O, N, P, S; si trovano poi alcuni metalli che servono a legare gli elettroni.

Idrocarburi

Il più semplice è il metano CH₄. Chiaramente si chiamano idrocarburi poiché sono formati solo da carbonio e idrogeno. Troviamo poi l’etano, il propano e così via. Il carbonio può formare quattro legami con altri atomi e se il legame è doppio si dice che è insaturo, se è singolo si dice saturo. Si trovano come costituenti delle membrane cellulari “impermeabili” come cutina, suberina.

Gruppi funzionali

• CH₃ metile servono a bloccare la trascrizione di certe del DNA
• COOH carbossilico è un gruppo acido, che si trova dissociato in acqua
• COH aldeidico si trova negli zuccheri e in comparti della fotosintesi, glicolisi, ciclo di Krebs
• NH₂ amminico nelle proteine
• OH alcolico zuccheri e alcol
• HPO₄^- gruppo fosfato nel DNA, RNA, ATP
• SH sulfidrile costituisce molte proteine
• Benzenico o aromatico si trova con molecole sostituite

Alcol

Viene preso un idrocarburo e gli viene aggiunto un gruppo alcolico. L’alcol ha il suffisso –olo. Esempi: etanolo, metanolo, glicerolo.

Acqua

Gran parte delle molecole organiche possono interagire con l’acqua. Possono essere quindi idrofobiche o idrofiliche. Gli idrocarburi sono idrofobici e servono appunto ad evitare di perdere acqua. Alcune molecole sono entrambe come quelle delle membrane cellulari.

Carboidrati

Fondamentali per la vita. Sono le molecole che si formano a seguito della fotosintesi. Il più semplice è la gliceraldeide. Il glucosio è il principale prodotto della fotosintesi. Poi troviamo il fruttosio (frutta, legato al glucosio per formare il saccarosio), il galattosio (nel latte), il ribosio dell’RNA e il desossiribosio del DNA.

• Disaccaridi: carboidrati formati da monomeri di monosaccaridi. Sono importanti per l’alimentazione, ad esempio il lattosio, fruttosio etc. Il saccarosio è frequente nei vegetali: ha importanza fondamentale in due situazioni fisiologiche: alla fine della fotosintesi. È una molecola adatta per essere scambiata anche se è poco solubile in acqua. Infatti è molto presente nelle vie che portano nutrimento alle radici.
• Polisaccaridi: sono polimeri di monosaccaridi. Non sono solubili in acqua e sono formati dalla pianta in modo da poterli utilizzare in caso di mancanza energetica. Due polisaccaridi molto importanti per la pianta sono l’amido e il glicogeno e la cellulosa. La cellulosa prevede che la molecola terminale di glucosio sia capovolta. È una struttura lineare. Gli enzimi che la digeriscono sono le cellulasi, per l’amido le amilasi. L’uomo non ha le cellulasi a differenza dei ruminanti. Il callosio è una molecola spesso usata come "tappo" in situazioni di perdita.

Amminoacidi

Sono una categoria di composti che formano le proteine. Hanno uno schema fisso più una parte che cambia. Immersi in acqua si dissociano. Il gruppo R è quello variabile, si chiama radicale e varia da proteina a proteina. I gruppi R sono 20 e possono andare dal semplice H ad anelli aromatici molto complessi; inoltre conferisce alla proteina acidità/basicità, polarità/non polarità ecc. Hanno prevalentemente funzione plastica. Gli amminoacidi si legano tra loro tramite legame peptidico, con partecipanti il gruppo carbossilico e il gruppo amminico successivo. La lunghezza delle proteine può essere molto variabile, da molto brevi a strutture tridimensionali ben precise. Ad esempio si può notare nel RuBisCO, dove i filamenti sono arrotolati in modo da avere il suo corretto funzionamento. Se ad esempio varia la forma della proteina può non funzionare o avere altri effetti.

Nucleotidi

Sono i monomeri di DNA e RNA.

• DNA: il suo monomero è il nucleotide. Un nucleotide ha alla base uno zucchero, il desossiribosio, e si attacca da una parte ad una base azotata. Ce ne sono di due tipi, le purine (più grosse) e le pirimidine (più piccole). Le purine sono guanina e adenina, le pirimidine timina (uracile) citosina. L’uracile si trova al posto della timina nell’RNA. Tra un nucleotide e l’altro si trova un legame a idrogeno. Il DNA ha una struttura a doppia elica. Le basi appaiono in questo modo ATCG AUCG. Questo appaiamento è funzionale alla struttura poiché una base grossa e una piccola rendono la struttura compatta e corretta.
• Codice genetico: la sequenza di basi azotate che compongono il DNA viene codificata a gruppi di tre; queste sequenze si chiamano triplette. Ad una base corrisponde la sua base complementare. Il codice genetico si dice che è degenerato, ovvero per un amminoacido corrispondono più triplette di nucleotidi.

Lipidi

Sono una componente fondamentale per la cellula. Sono strutture che formano barriere tra ambiente interno ed esterno, oppure a formare zone per il contenimento di energia. Il colesterolo ad esempio ha entrambe le caratteristiche; è sia idrofilo che idrofobico e quindi andrà a formare la membrana cellulare. Un’altra struttura importante è l’acido grasso, composto da una testa con un gruppo carbossilico COOH e un radicale R, di solito catena di H e C. È importante il numero di legami tra le molecole poiché determina se un grasso è saturo oppure no (con o senza doppi legami).

Fosfolipidi

Sono “simili” a un trigliceride, tranne il fatto che hanno un legame con un gruppo fosfato, quindi avrà una parte idrofila e una idrofobica. Una membrana biologica è fatta da un doppio strato fosfolipidico.

I viventi

La Terra si sarebbe originata 4,6 miliardi di anni fa e la vita intorno a 4 miliardi di anni fa. La fotosintesi intorno a 3,5 miliardi di anni fa.

Origine della vita

I primi organismi si sono originati da procarioti e solo in seguito gli eucarioti, anche a seguito della simbiosi. Tra procarioti ed eucarioti vi è una sostanziale differenza nell’organizzazione del DNA, circolare nei primi, filiforme e nel nucleo nei secondi. Secondo Lazcano una componente importante per la vita è la presenza di acidi nucleici e l’inserimento di questo organismo in un ambiente sottoposto a selezione naturale. Per Schrödinger la vita è una riduzione naturale dell’entropia, nutrendosi di negentropia a discapito dell’ambiente esterno. Tradizionalmente sono considerati viventi gli organismi che reagiscono agli stimoli e si riproducono.

Da molecole chimiche a biologiche

Oparin: le molecole sono comparse in un’atmosfera molto diversa da quella attuale: atmosfera riducente con ammoniaca, metano e acqua, senza ossigeno. Questi composti avrebbero reagito in presenza di fulmini e calore, fino a produrre composti organici semplici che avrebbero arricchito i mari presenti. Questo ambiente è stato definito brodo primordiale. Questi composti avrebbero avuto la tendenza ad associarsi fra loro fino a formare catalizzatori.

Mondo a RNA

L’RNA può svolgere sia funzione informazionale che catalitica e si ritiene che sia stato alla base dei primi organismi viventi. L’evento chiave è stato probabilmente la nascita di una molecola di RNA autoreplicante; che successivamente iniziò ad essere in grado di catalizzare la sintesi dei polipeptidi. Dei residui di un precedente mondo a RNA sarebbero i ribosomi e varie altre particelle.

• DNA: si sarebbe formato successivamente. Ha la caratteristica di conservare l’informazione genica, mentre le proteine si assunsero il ruolo di catalizzatori.

L.U.C.A

È l’organismo più recente da cui tutti gli organismi viventi attualmente discenderebbero. Si stima sia vissuto tra 3,5 miliardi e 3,8 miliardi di anni fa. Il codice genetico era composto da codoni di tre nucleotidi; quindi 64 cromosomi possibili ma con i 20 amminoacidi codificati; più codoni codificavano lo stesso amminoacido.

• Caratteristiche: DNA mantenuto a doppia elica, codice genetico espresso via intermedi di RNA a singolo filamento, codice genetico codifica proteine che provvedono per via enzimatica al mantenimento della cellula, RNA trascritto dai ribosomi in proteine, membrana lipidica bistratificata.

Da LUCA sarebbero originati gli eubatteri e gli archea. Secondo un’altra ipotesi i gruppi attuali si sarebbero formati da un trasferimento genico orizzontale (l’endosimbiosi per esempio) fra gruppi di organismi primordiali. Il trasferimento genico orizzontale tra due organismi è la trasmissione di materiale genico da un ramo filetico all’altro, tra specie diverse.

Procarioti

Sono unicellulari con DNA circolare; hanno ribosomi più piccoli di quelli degli eucarioti (70S Svedberg, un tipo di centrifugazione); gli organuli non sono circondati da membrana, flagelli molto semplici, ricombinazione genetica non sessuale (possono scambiarsi DNA con altre modalità, come trasformazione, coniugazione e trasduzione); parete cellulare con acido muramico.

Trasferimento genico orizzontale

Questo scambio si ha quando il DNA viene trasferito da un ramo filetico all’altro, senza necessariamente essere in relazione. Molto frequente è nei batteri. Sarebbe più il caso di parlare di rete filogenetica.

Archea

Non sono fotosintetici. Sono i tipici procarioti. Hanno dei metabolismi particolari perché alcuni riescono a produrre il metano. In altri casi si riscontra la presenza di alcuni introni. Si ritrovano spesso in ambienti con scarsa presenza di ossigeno.

Suddivisioni

• Metanogeni: prodotto finale del metabolismo il metano. Vivono in ambienti anaerobi con materiale organico in decomposizione.
• Alofi: ambienti ad alta concentrazione salina.
• Termoacidofili: ambienti acidi e ad alte temperature.

Le analisi delle sequenze di RNA dimostra un’alta eterogeneità dei vari gruppi, a dimostrare che si tratta di un gruppo di organismi molto antico.

Eubatteri

Hanno il nucleo con DNA circolare, pareti di acido muramico. Alcuni microrganismi sono capaci di fare la fotosintesi come i cianobatteri (scindono l’acqua in ossigeno). Altri gruppi fanno la fotosintesi per portare avanti il proprio metabolismo, come i batteri rossi e verdi e solfobatteri rossi.

Metabolismi batterici

Possono essere separati in due gruppi, a seconda di come si procurano l’energia:

• Autotrofi: ricavano sostanze organiche da sostanze inorganiche semplici → fotosintesi.
• Eterotrofi: ricavano le sostanze organiche da altri organismi. Troviamo i saprofiti (sostanze organiche da organismi morti), parassiti (si nutrono a carico di altri eucarioti- Tenia-), simbionti.

Inoltre troviamo una differenza nel meccanismo di ottenimento dell’energia:

• Fotoautotrofi: usano come fonte di carbonio la CO₂ atmosferica. Esempio: cianobatteri.
• Fotoeterotrofi: fonte di carbonio composti organici.
• Chemiototrofi: usano come fonte di energia l’ossidazione di sostanze inorganiche e come fonte di carbonio la CO₂ atmosferica.
• Chemoeterotrofi: usano come fonte di energia l’ossidazione di sostanze organiche e come fonte di carbonio composti organici. Esempio: uomo.

Batteri fotosintetici

Appartengono agli eubatteri. Assorbono la luce per procurarsi l’energia, grazie anche alla clorofilla. Le clorofille proprie sono quelle che si ritrovano anche nelle piante; le batterioclorofille si ritrovano in organismi con un metabolismo un po’ diverso, ma sostanzialmente dal punto di vista chimico è simile.

Batteri rossi

Sono Gram- (tipo di colorazione chimica). Sono abbastanza ridotti come specie, circa 30. Si ritrovano in ambienti con scarsa presenza di ossigeno. Sono in grado di “organicare” la CO₂ in molecole e zuccheri. Sono anche in grado di fissare l’azoto.

• Solfobatteri rossi: riescono a scindere l’H₂S al posto dell’acqua con funzione di donatore di elettroni.

Batteri verdi

Usano l’acido solfidrico al posto dell’acqua.

Fotosintesi ciclica e non ciclica

La fotosintesi ciclica prevede che ci sia una molecola di clorofilla che trasporta gli elettroni all’acqua per trasformarla in ATP, per poi ritrasferirla nell’acqua di partenza. Nella fotosintesi non ciclica ci sono due centri di reazione che lavorano in serie. Riesce a scindere l’acqua e ha una produzione di energia maggiore rispetto a quella ciclica.

Cianobatteri

I cianobatteri sono un gruppo di organismi molto importanti. La loro comparsa ha comportato un cambiamento nella vita sulla Terra poiché precedentemente c’erano solo organismi anaerobi. In particolari condizioni fisiologiche possono fare la fotosintesi non ciclica o ciclica. Sono in grado di fissare l’azoto atmosferico, fruibile anche da altri organismi.

La cellula

Il concetto di cellula in sé non è scontato, dato che per averne un’idea bisogna passare necessariamente per il microscopio. Il primo ad osservarla fu Hooke nel 1664, osservando la cellula del tessuto vegetale suberificato. Le strutture a celle furono chiamate appunto cellule.

Gli organismi si dividono in unicellulari e pluricellulari; esistono anche alcuni organismi acellulari come virus, viroidi, prioni etc.

Cellula di un cianobatterio

Sono procarioti Gram-. Hanno diverse peculiarità: hanno la clorofilla quindi fanno la fotosintesi. Prevedono che una membrana si distacchi dalla membrana cellulare e si avvolga in alcuni cerchi, in modo da permettere alla clorofilla di depositarsi. La clorofilla è idrofobica quindi si lega solo alla componente lipidica della membrana. Queste membrane prendono il nome di tilacoidi. Sulla seconda membrana troviamo inoltre delle strutture dette ficobilisomi, proteiche, che migliorano la capacità di assorbire la luce. I cianobatteri riescono anche a captare la luce a delle lunghezze d’onda molto basse grazie a delle molecole che amplificano la potenza della clorofilla.

Colonie

I cianobatteri si possono organizzare in strutture coloniali con diversificazioni di funzioni fra: eterocisti, acineti, necridi.

Fissazione dell'azoto

Nelle eterocisti i cianobatteri svolgono la fissazione dell’azoto atmosferico in composti organici. Tale funzione è adempita dall’enzima nitrogenasi che è molto sensibile all’ossigeno. Per questo motivo l’eterocisti ha pareti che riducono la permeabilità all’ossigeno e non svolgono la fotosintesi ossigenica, ma solo quella ciclica.

I cianobatteri possono vivere anche a profondità molto elevate poiché possiedono dei pigmenti, le ficobiline, che riescono ad aumentare la captazione della luce blu/violetta, la quale arriva a profondità maggiore rispetto alla luce captabile dalle altre clorofille.

• Un ruolo molto importante nella captazione della luce viene svolto dal ficobilisoma. Esso è un organello di dimensioni pressoché sferiche che risiede nel tilacoide. Sono dei complessi proteici costituiti da pile di proteine dette ficobiliproteine. Ogni ficobilisoma è formato da un nucleo fatto da alloficocianina, dal quale si dipartono raggi costituiti da dischi impilati di ficocianina e se presente ficoeritrina. Nei ficobilisomi a luce verde prevale ficoeritrina, in luce rossa ficocianine.

Procarioti

I procarioti si classificano in:

• Batteri (eubatteri, mixobatteri, spirochete…)
• Archibatteri
• Alghe azzurre o cianobatteri

Cellula batterica

Si nota subito la parete cellulare, la capsula (materiale mucillaginoso), zona centrale con nucleo detta nucleoplasma, dei granuli che fungono da riserva, i flagelli per muoversi o attaccarsi.

Alghe

Con il nome di alghe sono noti molti organismi acquatici fotoautotrofi. Si ritrovano sia in ambienti marini che dolci anche in alcuni ambienti terrestri. Hanno dimensioni molto variabili: le microalghe sono unicellulari che vivono sospese in un corpo d’acqua (fitoplancton) o fissate ad un substrato mediante mucillagini (microfitobenthos); sono organizzate secondo colonie o in solitaria; le loro cellule possono essere mobili (flagellate) o immobili (coccali); le macroalghe sono pluricellulari e rappresentano una componente importante nella vegetazione marina. Il loro corpo, che prende il nome di tallo, può avere struttura filamentosa, parenchimatica o cenocitica (sifonale). In questo caso il tallo è composto da cellule giganti che in un’unica parete racchiudono un protoplasma unico con molti nuclei.

Citologia

La cellula delle alghe ricalca il modello di quella delle piante, con tuttavia alcune caratteristiche esclusive. Una parete cellulare è sempre presente nelle macroalghe, ed è composta prevalentemente da polisaccaridi; strutturalmente presenta una componente fibrosa immersa in una matrice amorfa. Nelle microalghe la parete può mancare o essere sostituita da vari tipi di involucri. La maggior parte delle specie possiede un involucro che si forma all’interno del plasmalemma, il periplasto, e può avere aspetto e composizione chimica diversi; in certi casi può essere anche mineralizzato. Il numero e le dimensioni dei cloroplasti in una cellula sono diversi nelle varie categorie sistematiche: generalmente i cloroplasti piccoli e numerosi sono tondeggianti o lenticolari, i grandi cloroplasti possono essere a coppa, ad anello, stellati, nastriformi, lobati etc. Solo in alcune alghe verdi i tilacoidi formano dei grana o pseudograna. Nei cloroplasti della maggior parte delle specie si trovano uno o più corpi tondeggianti e rifrangenti all’ottico, ai quali è stato dato il nome di pirenoide.