Botanica I - Introduzione e La Cellula Vegetale

Botanica I - Introduzione

La Botanica è la scienza che studia i vegetali. I vegetali sono organismi autotrofi, ovvero in grado di produrre in proprio il loro nutrimento, in grado quindi di trasformare la sostanza inorganica in organica (assumere CO2, acqua e sali minerali dall’ambiente circostante producendo lo zucchero semplice glucosio C6H12O6).

I vegetali hanno origine circa 250 milioni di anni fa dallo sviluppo dei procarioti noti come Cianobatteri in organismi capaci di eseguire fotosintesi. Di interesse botanico relativo alla divisione in tre domini sono il Dominio Bacteria per i Cianobatteri ed il Dominio Eukarya comprendente i regni di Plantae e Fungi.

La cellula vegetale

La cellula vegetale è una delle forme di cellula eucariotica. La cellula eucariotica si distingue dalla procariota (cellula degli organismi unicellulari) principalmente per la divisione in membrane dovuta alla particolare struttura a compartimenti nei quali troviamo organuli di varia funzione. Non è possibile proporre un singolo modello di cellula vegetale universalmente valido, in quanto le cellule di ogni parte della pianta sono funzionalmente diverse tra loro.

La cellula vegetale prende forma principalmente dalla sua parete cellulare. La cellula priva di questa parete è detta protoplasto. Il citosol invece è la porzione di protoplasto interna esclusa dai compartimenti ed organelli circondati da membrana. È una soluzione colloidale costituita da acqua, ioni, lipidi, proteine enzimatiche e strutturali, zuccheri, nucleotidi e ormoni. Citoplasma invece è l’insieme di citosol ed organelli esclusi vacuolo e nucleo.

Le membrane

Le membrane biologiche sono formate da molecole lipidiche a cui sono associate proteine, in particolare glicoproteine. Nelle membrane i lipidi formano un doppio strato di molecole polari ed appartengono a diverse classi: galattosilgliceridi, glucocerebrosidi, steroli e fosfolipidi. Una delle caratteristiche principali dei lipidi di membrana è la presenza di domini idrofilici e domini idrofobici.

In ambiente acquatico i lipidi di membrana si autoassemblano con il minimo dispendio energetico. Il doppio strato può anche racchiudersi a formare compartimenti, e questa proprietà permette di sigillare le membrane danneggiate. La membrana non è struttura statica, poiché l’assenza di legami covalenti tra molecole lipidiche permette il movimento. Il doppio strato risulta un fluido molto sottile, con regioni di membrana idrofiliche (che rendono possibile l’associazione con fosfati ed acqua) e regioni idrofobiche.

La disposizione delle proteine di membrana dipende da queste regioni della membrana. Si hanno proteine intrinseche quando immerse in parte o completamente nella membrana, periferiche quando sono localizzate su uno dei due lati della membrana. Si hanno proteine associate con acidi grassi, associate a gruppi prenilici, ancorate a fosfatidilnositolo, associate al colesterolo.

Mosaico fluido

Per mosaico fluido si intende il modello strutturale di membrana proposto negli anni ‘80 da Singer e Nicolson, che prevede il movimento all’interno della membrana sia dei fosfolipidi che delle proteine, movimento che porterebbe vantaggio nello scambio di materiali e nella regolazione dei flussi entrata-uscita di materiale dalla cellula. Il movimento non è libero, ma regolato da ponti citoscheletrici e legami di proteine membrana.

Le proteine che si occupano del trasporto di materiale nella cellula possono essere di tre tipi: canali, carriers e pompe.

• Canali: Proteine transmembrana con funzione di pori selettivi. Questi canali possono chiudersi rispondendo a segnali esterni.
• Pompe: Proteine di membrana responsabili del trasporto attivo, che sfruttano spesso una differenza di potenziale per il trasporto ionico.
• Carrier: Mediano il trasporto legando la molecola ad un proprio sito specifico. Il legame con questa molecola modifica la conformazione del carrier che è adesso in grado di attraversare la membrana.

La membrana plasmatica

Circonda la cellula, costituendo l’interfaccia attiva con l’ambiente esterno. Nelle cellule vegetali è composta da lipidi, proteine e carboidrati in rapporto 40:40:20. Questo rapporto non è costante, variando tra i diversi organi della pianta e le diverse funzioni della cellula. La membrana interagisce con la parete cellulare formando legami e partecipando in sintesi ed assemblaggio dei polimeri di parete.

Il plasmalemma insieme al RE forma i plasmodesmi. Le cellule plasmolizzate hanno dei sottili filamenti, noti come filamenti di Hecht, che collegano le pareti cellulari ai protoplasti delle cellule. Questi sottili filamenti di citoplasma delimitati da membrana plasmatica presentano continuità tra membrana e parete. Diverse proteine si occupano di interfacciare membrana e parete, tra queste AGP, cellulosa sintasi e le chinasi WAK.

L'acqua e le cellule vegetali

L’acqua è naturalmente l’elemento più abbondante, che in organismi vegetali costituisce il 95% dell’organismo.

Il potenziale idrico

L’acqua possiede energia chimica definita Potenziale Idrico. Esso è influenzato da temperatura, pressione e altitudine. Si misura in Megapascal (1 Mpa = 10 bar). Il potenziale idrico si calcola per somma di pot. di pressione, pot. osmotico e pot. di matrice. Il pot. di pressione è positivo per compressione e negativo per dilatazione. Il pot. osmotico indica l’effetto dei soluti sull’acqua, sempre negativo e legato alle particelle in soluzione. Il pot. di matrice è il valore riferito all’assorbimento dell’acqua alle componenti solide e alle sostanze non solubili. L’acqua si muove per differenze di potenziale idrico.

Osmosi

La diffusione consente lo spostamento di molecole a basso costo tramite la loro differenza di concentrazione. L’osmosi è una particolare diffusione che avviene tramite membrana semipermeabile che consente solo il passaggio di acqua. Perciò l’acqua si sposterà dalla soluzione meno concentrata alla soluzione più concentrata. Se la cellula viene immersa in una soluzione più diluita (ipotonica), l’acqua attraversa la membrana verso l’interno, accade l’inverso con soluzione ipertonica. Questo fenomeno è quindi alla base del turgore cellulare.

I mitocondri

I mitocondri sono organelli di cellula eucariotica nei quali si realizza una intensa attività metabolica. I mitocondri forniscono vari composti come acidi organici e amminoacidi utilizzati nelle reazioni sintetiche della cellula. La morfologia mitocondriale è la stessa nei vegetali e negli animali. Sono definiti organelli pleomorfi, poiché rapidamente e spesso cambiano forma.

Sono circondati da membrana interna ed esterna, più piccola e con pochi enzimi, si occupa di portare all’interno proteine. La membrana interna invece è tra le più complesse membrane biologiche. In questa membrana si hanno i sistemi di trasporto che conducono flussi di ioni, metaboliti ed energia tra mitocondrio ed ambiente extramitocondriale. Si hanno internamente creste mitocondriali (nei vegetali sono tubulari), la cui funzione è naturalmente aumentare la superficie e l’area di membrana per incrementare i numeri di produzione.

Le due membrane, interna ed esterna, sono divise da uno spazio acquoso detto spazio intermembrana. La membrana esterna è molto permeabile alle piccole molecole, e presenta porine mitocondriali, che formano complessi con canali acquosi all’interno dei quali ioni e molecole si muovono liberamente. Il trasporto dei soluti attraverso la membrana interna invece, necessita proteine carrier. L’ambiente mitocondriale interno presenta una matrice, che comprende mtDNA, ribosomi ed enzimi solubili.

I ribosomi mitocondriali, come quelli plastidiali, assomigliano a quelli dei procarioti per la forma, le dimensioni, la similarità in sequenze RNA e delle proteine. I ribosomi mitocondriali sono molto sensibili agli antibiotici. I mitocondri sono organelli semi-autonomi, con DNA (mtDNA), che codifica per RNA ribosomiali (rRNA), gli RNA transfer (tRNA) ed alcune proteine. Non riescono però ad esempio a sintetizzare tutte le proteine che necessitano, che vengono quindi sintetizzate nel citosol della cellula e successivamente importate nei mitocondri. Le dimensioni dei mtDNA sono variabili, e nei mitocondri vegetali troviamo i DNA mitocondriali più grossi e complessi.

I perossisomi

Organelli di piccole dimensioni a membrana singola. Scoperti nel ‘65 isolati dal fegato, generavano e distruggevano perossido di idrogeno. Forma generalmente sferica (in alcuni casi allungati o irregolari). La matrice può contenere inclusioni cristalline. All’interno di una singola cellula i perossisomi possono variare in numero, grandezza, costituzione enzimatica e funzione metabolica secondo condizioni ambientali e fasi di sviluppo della pianta.

Il perossisoma ossida rapidamente il substrato, nelle piante e nelle alghe connettono vie metaboliche biosintetiche e compartimentano passaggi pericolosi prevenendo l’avvelenamento. Nelle piante si hanno diversi tipi di perossisomi:

• Fogliari, con enzimi fotorespiratori. Spesso accanto a cloroplasti e mitocondri.
• Gliossisomi, nelle cellule dei semi oleaginosi, sia nei tessuti di riserva, sia negli organi senescenti.
• Perossisomi, presenti nei noduli delle radici delle leguminose, ossidano le purine.
• Perossisomi non specializzati, più piccoli dei foliari, liberi o associati al RER.

Ribosomi

Particelle responsabili della sintesi proteica, formati da tre molecole rRNA e proteine diverse che si associano a formare 2 subunità. Classificati in base alla velocità di sedimentazione in gradiente di glucosio. Ogni compartimento subcellulare con sintesi proteica ha i suoi ribosomi, perciò troviamo 3 tipologia ribosomiali: citoplasmatici, mitocondriali e plastidiali. Ogni mRNA può legare più ribosomi, che formano così un complesso chiamato polisoma o poliribosomi.

Cap. II – La parete cellulare

La parete è il compartimento esterno alla membrana plasmatica, presente in tutte e cellule vegetali. Struttura con sufficiente rigidità da imporre e sostenere la forma, ma con la sufficiente plasticità da consentire l’accrescimento. Costituita da polisaccaridi, proteine e fenilpropani (molecole di basso peso che con la loro deposizione modificano le proprietà chimico-fisiche della parete stessa, rendendola rigida ed impermeabile).

La parete è considerata comparto metabolicamente attivo, indispensabile negli self non-self, scambi con l’esterno ma anche nei sistemi di riconoscimento e ovvero tra cellule della stessa piante e/o cellule patogene. Naturalmente varia a seconda della tipologia, dell’età, dell’ambiente e della specie in esame. Essendo poi la parete cellulare il più grande deposito di carbonio organico in natura, ha ruolo molto importante nel ciclo di questo elemento.

Biogenesi e componenti di parete

Costituita da una componente fibrillare cellulosica e da una componente matricele polisaccaridica e proteica. La componente fibrillare è costituita da cellulosa, un polimero del glucosio. La cellulosa ha come unità fondamentale il cellobiosio, un dimero costituito da due molecole di D-Glucosio con legame 1-4. La formazione di tale legame necessita rotazione di 180° di un glucosio rispetto al successivo. Questo permette la formazione di catene lineari.

La disposizione regolare delle catene porta alla formazione di zone cristalline nella microfibrilla. Nonostante la capacità della cellulosa di formare legami idrogeno, il polimero nella sua forma cristallina è pressoché insolubile. Questo lo rende resistente all’attacco enzimatico. Oltre a polimeri lineari ne possiamo trovare anche ramificati con basi diverse dal glucosio, che prendono nome dallo zucchero che portano: xiloglucani, arabinoxilani, glucuronoarabinoxilani ecc.

Le emicellulose, che formano la matrice dove la parte cellulare prende corpo, sono un gruppo eterogeneo di polisaccaridi fortemente legati alla componente fibrillare della parete grazie alla loro capacità di formare legami idrogeno. Grazie alla loro lunghezza, non solo ricoprono singole fibrille di cellulosa, possono connettere tra loro fibrille diverse per formare una rete. Tramite analisi chimica sappiamo che nella parete primaria delle dicotiledoni l’emicellulosa più abbondante è lo xiloglucano, ma possiamo trovare in tutte le piante emicellulose diverse anche secondo il loro stadio di sviluppo.

Le pectine, rivelatesi composte di acido galatturonico e zuccheri neutri, sono la componente più facilmente estraibile dalla parete. Le proteine strutturali di parete si dividono in 4 gruppi: HRGP (glicoproteine ricche in idrossiprolina), PRP (proteine ricche in prolina), GRP (proteine ricche in glicina), AGP (arabinoalattanoproteine). La loro distribuzione non è omogenea ma dipende da specie, tipologia cellulare e stadio di sviluppo. Possono essere sintetizzate in risposta a ferita o attacco patogeno. Le proteine di parete sono glicosilate, dotate di catene glicidiche specifiche.

La lignina, presente quasi esclusivamente nella parete secondaria, è un polimero la cui comparsa è legata alla conquista della terraferma. La lignina è un polimero di natura fenolica, idrofobico, rigido e poco comprimibile. I lignoli (alcol coniferilico, alcol sinapilico, alcol cumarilico, sintetizzati nel citoplasma e poi secreti in parete), dal punto di vista chimico sono fenilpropani, sintetizzati a partire da aminoacidi aromatici (fenilalanina e tirosina). L’unione quindi lignina – cellulosa preserva la robustezza strutturale delle cellule vegetali. Anche l’acqua partecipa, formando gel con le pectine, e legami idrogeno con la parete.

Biosintesi dei componenti di parete

I componenti di parete possono essere sintetizzati in loco, come la cellulosa, o nel citoplasma. La biosintesi della cellulosa avviene nel Complesso della Rosetta, complesso multienzimatico intrinseco nella membrana plasmatica formato da sei subunità circolari. Ciascuna di queste subunità è formata da sei proteine di cellulosa sintasi. In questo modo, da ogni singola rosetta si originano 36 catene associabili. I residui necessari alla biosintesi provengono da saccarosio citoplasmatico. La disposizione regolare delle fibrille di cellulosa sembra essere originata da microtubuli corticali.

La biosintesi invece dei polimeri di matrice avviene nell’apparato di Golgi, ad opera di glicosiltrasferasi di membrana.

Assemblaggio dei componenti di parete

Solo la cellulosa è assemblata sul posto, gli altri componenti di parete che arrivano tramite vescicole necessitano un corretto assemblaggio. Questo avviene per autoassemblaggio, sfruttando le proprietà intrinseche dei polimeri e quindi la loro spontaneità, o assemblaggio mediato, generalmente tramite enzimi specifici adibiti a quel compito.

Crescita di parete

La parete che divide le cellule figlie si forma dalla piastra cellulare, che crescendo dal centro del piano di divisione verso la periferia, va a fondersi con membrana e parete. La parte membranale della piastra costituisce un primordio di membrana plasmatica, mentre la parte polisaccaridica un primordio di parete. La crescita poi avviene per crescita di turgore e distensione della neonata parete, che allungandosi permette la crescita. Questo però può avvenire solamente se i polimeri di parete possono scivolare uno sull’altro, e questo è possibile grazie a modificazioni chimiche di parete e grazie all’opera di enzimi specifici. La disposizione delle microfibrille poi, influenza profondamente questo processo, definendo una crescita di tipo isotropico se le fibrille sono ordinate e si allargano uniformemente, anisotropico.