Botanica Orale

Botanica

La botanica si occupa di organismi fotosintetici, sia procarioti che eucarioti. I procarioti sono in grado di trasformare azoto (N₂, NH₃, NO₃^2-) in molecole direttamente utilizzabili dalle piante. Fra i procarioti troviamo i cianobatteri (ad esempio la spirulina), i cianobatteri sono stati i primi organismi fotosintetici comparsi. Per alghe si intende organismi eucarioti fotosintetici che generalmente stanno dentro l’acqua. I funghi sono studiati dai botanici anche se non si tratta di organismi fotosintetici; si giustifica questa attribuzione alla botanica con la presenza di una parete cellulare. Un tempo anche i batteri venivano studiati dai botanici per la presenza di pareti cellulari, attualmente vengono studiati nel campo della microbiologia.

Per l’uomo gli organismi fotosintetici sono fondamentali. Prima di tutto, sono una fonte di cibo (la maggior parte del cibo che compone la nostra alimentazione proviene da 5 specie); sono poi una fonte di energia, sostituita nell’800 da combustibili fossili di cui sono comunque la fonte originaria. Sono una fonte di fibre tessili (cotone), di vari prodotti industriali e sono utilizzate per realizzare prodotti farmaceutici. Indirettamente, le piante sono le principali componenti degli ecosistemi e della biodiversità.

Biocarburanti

Sono carburanti derivati da fonti rinnovabili. La prima generazione era costituita da biodiesel ottenuto da oli vegetali. Questi carburanti hanno una serie di problemi; il rischio grosso è che si sottraggano biomasse alimentari in paesi in via di sviluppo, con il rischio di provocare grosse carenze di cibo. Fa parte dei biocarburanti anche il bioetanolo derivato dalla fermentazione (mais, canna da zucchero, amido). I carburanti di seconda generazione sono ottenuti da cellulosa e biomasse di alghe, il vantaggio deriva dal fatto che generalmente non vengono usate per l’alimentazione umana.

La botanica si divide in vari settori: generale (anatomia, metabolismo, genomica), sistematica, applicata, fisiologia delle piante, farmaceutica. I confini fra i vari settori sono sempre più incerti.

L'importanza della biodiversità

La biodiversità è importante per il suo valore intrinseco, al di là del suo ruolo nella sopravvivenza dell’uomo. Si parla di endemismo per specie che sono esclusive di una zona geografica. Le popolazioni di Rapa Nui, un’isola isolata, vivevano sfruttando gli alberi di quest’isola. Vennero utilizzati a quanto pare eccessivamente, l’isola fu completamente disboscata e di conseguenza si osservò un crollo nella popolazione dell’isola. Quello che è successo a Rapa Nui è stato preso come lezione per la terra in generale.

Per salvaguardare le singole specie sono state attribuite etichette alle specie, possono essere specie “a rischio”, “vulnerabili”, “estinte” ossia scomparse da una certa area geografica, “estinte in natura” non si trovano più in natura ma solamente in laboratorio o in altre aree geografiche (la Ginkgo biloba estinta in natura poco tempo fa ma comunque presente nelle aree urbane).

Chimica della cellula

Idrocarburi compongono le cere delle piante perché idrofobici. Glucosio, C₆H₁₂O₆, lo posso trovare sia in forma ciclica che lineare, la forma ciclica è molto solubile, influisce perciò sulla pressione osmotica. Legame 1-4 è il legame tipico dell’amido, tende ad incurvarsi e a formare grandi eliche. L’amilopectina è sempre caratterizzata da legami 1-4 alpha ma ha molte ramificazioni con legami alpha 1-6.

L’amido è composto da una molecola molto semplice, il glucosio, viene sintetizzato dalla pianta tramite la fotosintesi, ma non viene mantenuto sotto forma di glucosio a lungo perché esso è una molecola osmoticamente attiva; all’interno di una membrana semipermeabile richiama acqua dentro la cellula, essa si gonfia e può subire idrolisi, la cellula quindi scoppia. I liquidi all’interno di un organismo vegetale non sono isoosmotici con la cellula, la cellula non scoppia perché la pianta è rivestita da parete cellulare. Il glucosio, si forma nel cloroplasto, organulo rivestito da doppia membrana semipermeabile, non può essere raccolto nel cloroplasto perché richiamerebbe acqua. Il glucosio viene quindi polimerizzato sotto forma di amilosio, il legame si forma per condensazione con espulsione di acqua, la reazione avviene tramite catalizzatori biologici, gli enzimi (amilosio sintetasi). La catena si può allungare fino a centinaia di unità. I legami sono di tipo Alpha 1-4: il legame tra il carbonio 1 della prima molecola e il 4 della seconda, le due molecole sono quindi orientate allo stesso identico modo. La catena di amido tende ad incurvarsi, forma un’elica con un passo preciso (viene colorato con Lugol, si inserisce perfettamente nell’elica).

Il legame di tipo Beta 1-4 è caratterizzato da una rotazione della seconda molecola di glucosio, si forma il polimero della cellulosa, le catene adiacenti di cellulosa formano tra loro legami ad H. Per quanto riguarda le piante, trovo la cellulosa soltanto nella parete cellulare e l’amido viene immagazzinato nei cloroplasti, essendo una catena molto lunga non si tratta di una catena osmoticamente attiva.

Proteine

Le proteine sono invece polimeri di aminoacidi, formati da un atomo di carbonio, un gruppo carbossilico, un gruppo amminico, un atomo di idrogeno e un gruppo radicale R, quest’ultimo varia da un aminoacido all’altro e va a caratterizzarlo, ce ne sono 20 di aminoacidi. Si combinano tra di loro a formare tutte le proteine possibili. Si parte da peptidi formati da 70 aminoacidi e si sale di numero. Il legame tra i vari aminoacidi è sempre un legame di condensazione ed avviene sempre tra il gruppo carbossilico e il gruppo amminico, si parla di legame peptidico, anche qui ho bisogno di enzimi specifici, vengono sintetizzate dal ribosoma.

Acidi nucleici

DNA ed RNA, sono composti da nucleotidi. Il DNA lo trovo nel nucleo e dentro gli organuli con doppia membrana, mitocondri e cloroplasti. La differenza principale tra i due acidi sta nello zucchero: il ribosio nell’RNA e il desossiribosio nel DNA. Oltre allo zucchero sono formati da un gruppo fosfato e da una base azotata, di cui ne esistono 5 tipi: adenina e guanina (puriniche), citosina, uracile e timina (pirimidiniche). L’uracile è caratteristica esclusiva dell’RNA, utilizzato al posto della timina. Le basi azotate sono associate in maniera complementare: adenina-timina e guanina-citosina. Nella doppia elica di DNA le due catene si associano sempre con le basi rivolte verso l’interno dell’elica.

L’RNA è anch’esso fatto a filamenti, viene sintetizzato nel nucleo, esce nel citoplasma e raggiunge il ribosoma trasportando informazioni per la sintesi proteica (mRNA). Ci sono tanti tipi di RNA: mRNA, rRNA, tRNA, MicroRNA, SiRNA negli spliceosomi, RNA virale.

Lipidi

Sono molecole idrofobiche, si dividono in oli e grassi. Sono formati da una parte idrofilica, il gruppo carbossilico legato ad una catena idrocarburica, idrofobica, insieme danno l’acido grasso. Si dividono in acidi grassi saturi e acidi grassi insaturi, dove trovo doppi legami.

La glicerina, molecola a tre atomi di carbonio, lega tre catene di acidi grassi: tramite condensazione si forma il legame estere. I tre acidi grassi possono essere uguali o diversi, il risultato finale è il trigliceride, una molecola del tutto idrofobica senza nessun OH esposto, per sfuggire l’acqua riducono la superficie esposta al minimo organizzandosi in sfere, le cosiddette gocce lipidiche.

Quando un gruppo carbossilico del glicerolo non reagisce con un acido grasso ma con una componente idrofilica, il gruppo fosfatato; avrò una molecola in parte idrofoba e in parte idrofila: i fosfolipidi. I fosfolipidi, così come il colesterolo, sono situati nelle membrane biologiche: sono formate da un doppio strato di fosfolipidi, con le teste idrofile rivolte verso l’esterno e le code idrocarburiche verso l’interno. Oltre ai lipidi nella struttura delle membrane trovo proteine le quali saranno intrinseche oppure interne alla membrana, in questo caso saranno formate da porzione idrofobe e porzione idrofile.

Classificazione

• Regno Monera, contenente le cellule procariotiche (archea ed eubatteri).
• Regno Protisti, eucariotica unicellulare. Per correttezza si dovrebbe parlare del regno degli Eucarioti in generale di cui fanno parte anche i Protisti.
• Regno Funghi, non fotosintetici.
• Regno Piante propriamente dette, si intende le piante terrestri di cui alcune sono tornate in acqua.
• Regno degli animali (non trattato).

Tutti gli organismi fotosintetici hanno cloroplasti, assenti quindi nei funghi, all’interno dei cloroplasti ho delle zone di accumulo, i pirenoidi. La parete cellulare si trova in quasi tutti i fotosintetici e nei funghi. Anche nei procarioti trovo organismi non strettamente unicellulari, producono filamentiche che hanno dei rapporti di coordinazione tra le varie cellule. Organismi coloniali si possono considerare una via di mezzo tra gli unicellulari e i pluricellulari.

Cellula eucariotica vegetale

La zona più esterna è la parete cellulare costituita da cellulosa che forma dei lunghi filamenti associati in fibrille via via più spesse, le fibrille sono disposte in direzioni differenti a seconda dello strato, questo aumenta la resistenza della parete. Oltre alla cellulosa è presente una componente gelatinosa che permette alla parete e alla cellula un cambio di forma.

Sotto alla parete trovo la membrana plasmatica, doppio strato di fosfolipidi; ancora sotto ho il citoplasma, la componente acquosa in cui sono immersi i vari organuli. Mitocondrio, nucleo e cloroplasto (accumulo di amido) sono rivestiti da una membrana doppia. Il vacuolo è rivestito da membrana singola e contiene acqua. Oltre agli organuli nella cellula trovo il reticolo endoplasmatico, l’apparato del Golgi e delle vescicole contenente enzimi digestivi, chiamati Lisosomi negli animali. Gli enzimi digestivi della pianta sono contenuti nel vacuolo.

Origine della cellula eucariotica

La teoria principale è quella dell’endosimbiosi, applicata alla comparsa di mitocondri e nuclei. Anche i cloroplasti entrano nella teoria dell’endosimbiosi: un cianobatterio viene inglobato per invaginazione nella cellula, il cianobatterio viene rivestito dalla membrana della cellula, oltre alla sua, quindi ora sarà rivestito da doppia membrana.

Teoria endosimbiosi

Una cellula che non ha la parete cellulare ingloba un altro organismo, lo fagocita con un vacuolo di fagocitosi, il vacuolo di fagocitosi è un sacculo circondato da membrana plasmatica che si richiude portandolo dentro. Dentro al vacuolo è rimasto un batterio, un procariota. La storia si divide nella teoria riguardante il mitocondrio e del cloroplasto. Il mitocondrio converte materia organica in energia, il cloroplasto fa l’esatto contrario. Il batterio fagocitato non viene digerito, non ho il lisosoma che riversa gli enzimi idrolitici e demolisce il fagocitato. Il vacuolo rimane così, nel tempo si stabilisce una relazione tra il nucleo e il batterio con il suo genoma. Le cellule eucariote da un certo punto di vista sono delle chimere perché hanno almeno due genomi, quello nucleare e quello mitocondriale. Il mitocondrio infatti è rivestito da due membrane, quella del vacuolo e quella della membrana del batterio, manca la parete batterica, persa nel processo evolutivo. Il DNA mitocondriale è di tipo circolare. Dentro al mitocondrio ci sono anche dei ribosomi di tipo batterico, più piccoli (70S). Il DNA batterico dei cloroplasti è diverso da quello dei mitocondri, derivano da organismi diversi.

Cellula eucariotica vegetale

Le cellule assumono conformazione differente in base alla loro funzione e la loro posizione nella cellula. Nei tessuti molto giovani trovo anche cellule staminali. Il nucleo contiene nucleoli (singolo di solito) in cui si produce rRNA, nelle cellule prive di nucleolo ho una bassa attività metabolica, come nella cellula staminale.

Membrana plasmatica

Nella membrana sono contenuti fosfolipidi, la membrana contiene proteine che possono muoversi in maniera casuale o essere mossa dalla cellula. Le proteine variano sia per quantità che per composizione. I fosfolipidi fanno parte della membrana plasmatica, la rendono idrofobica all’interno e idrofilica all’esterno. Catene idrocarburiche fluide se sono presenti doppi legami, insaturi. Le proteine di membrana variano in base al tipo di cellule perché le danno una funzionalità specifica. Gocce lipidiche di membrana, energia se le mando verso i mitocondri oppure per fare nuove membrane.

Cloroplasto

Tre differenze tra cellula animale e vegetale: cloroplasto, parete vegetale e vacuolo di grandi dimensioni nelle vegetali. Il cloroplasto deriva da un processo di endosimbiosi di un cianobatterio che ha bisogno di fare fotosintesi usando la membrana interna per creare una differenza di potenziale. I cloroplasti nelle piante si dispongono in delle pile di membrana su cui ho dei pigmenti, essi raccolgono energia solare che verrà convertita in energia chimica. La membrana del cloroplasto non è indipendente, è collegata alla membrana della cellula. Ha DNA, genoma ridotto. Ha i suoi ribosomi. È un organulo semiautonomo e una parte del suo genoma è scomparsa, una è stata trasferita dentro al nucleo perciò una parte delle proteine del cloroplasto è prodotta dalla cellula. La zona membranosa del cloroplasto è dedicata alla fotosintesi, si parla di tilacoidi, dove avviene la fotosintesi. Le pile di tilacoidi formano la grana. Per fare la fotosintesi ho bisogno di CO₂, acqua e luce solare. Anche mitocondri e cloroplasti fanno divisione semplice.

Plastidi

I plastidi sono gli organelli coinvolti nel processo di fotosintesi e di accumulo. I più comuni sono cloroplasti, cromoplasti e leucoplasti. Ciascun plastidio è delimitato da un involucro costituito da due membrane, ed è internamente differenziato in un sistema di membrane dette tilacoidi e in una sostanza fondamentale più o meno omogenea, lo stroma. Il grado di sviluppo dei tilacoidi varia a seconda dei tipi di plastidi.

Specializzati nell’accumulo di sostanze di riserva, si parla di amiloplasto. È un tessuto specializzato con funzione di riserva. La pianta si crea una riserva energetica per i periodi in cui non può fare fotosintesi. Le piante accumulano amido e non grassi tendenzialmente. Le cellule di questi tessuti sono cellule di grandi dimensioni con grandi amiloplasti, li riconosco perché vedo un grande granulo di amido. I plastidi sono organuli semiautonomi che somigliano per vari aspetti ai batteri: contengono uno o più nucleoidi con DNA circolare, possiedono ribosomi pari a 2/3 dei ribosomi citoplasmatici, si riproducono per scissione dividendosi in due parti uguali.

I cromoplasti sono plastidi provvisti di pigmenti, di forma variabile, mancano di clorofilla ma sintetizzano e accumulano carotenoidi. Possono differenziarsi da cloroplasti preesistenti attraverso la degradazione della clorofilla, la scomparsa dei tilacoidi e l’accumulo di masse di carotenoidi. La funzione principale di questi organuli non è stata ancora chiarita. I leucoplasti sono i meno differenziati fra i plastidi maturi: mancano di pigmenti e di un elaborato sistema di membrane interne. Alcuni sono noti come amiloplasti che sintetizzano e accumulano amido. I proplastidi sono piccoli plastidi, incolori o verde pallidi che si trovano nelle cellule meristematiche in divisione delle radici e dei germogli. Sono i precursori dei plastidi.

Nettario

Organo che produce il nettare, grande produzione di sostanze zuccherine.

Attività autofagica di alcuni cloroplasti

I cloroplasti sono organuli derivanti da un procariota (teoria endosimbiosi), ha una doppia membrana derivata dall’invaginazione. L’autofagia è un processo in cui la cellula demolisce un oggetto interno, è fondamentale per riciclare le componenti vecchie; le macromolecole di una cellula hanno una emivita, così la cellula ha la necessità di smaltirle.

Vacuolo

I vacuoli sono regioni intracellulari piene di un liquido acquoso, il succo vacuolare a pH acido (fino a 3). Il pH acido è legato alla funzione autofagica. Sono delimitati da membrana cellulare asimmetrica chiamata tonoplasto. Il tonoplasto ha una componente proteica elevata, deve resistere all’azione degli enzimi litici. Il vacuolo nella cellula vegetale fa autofagia. È un’importante riserva d’acqua, dà turgore alla cellula, è fondamentale l’equilibrio fa acqua interna e le pareti: i liquidi non sono isoosmotici i liquidi esterni alla cellula, la conseguenza di ciò è la penetrazione di acqua all’interno della cellula, la presenza della parete previene l’idrolisi. Nel vacuolo possono essere raccolti cristalli di ossalato di calcio, cristalli aghiformi, i cristalli sono un meccanismo di difesa verso gli organismi erbivori, sono infatti sostanze velenose. (La rucola ha sapore forte per delle sostanze velenose per i nematodi). Alcuni importanti farmaci anticancro, come la vincristina e la vinblastina, derivano dalla Vinca rosea, una pervinca, sono efficaci per le sostanze di difesa prodotte dalle piante. Tutte le piante producono antibiotici. Talvolta le piante entrano in contatto con sostanze tossiche, temperature rigide, come si difendono? Reagiscono con varie modalità: a livello delle radici, dove evitano di assorbirle, oppure le accumulano nel vacuolo. Il vacuolo nello stadio giovanile è piccolo, cresce, richiama acqua. Il vacuolo fa da riserva anche di alcuni ioni utilizzati come segnali e di altre sostanze: lo ione calcio nella cellula vegetale ha funzione contrattile, aghi di ossalato di calcio, negli endosperma dei semi di ricino sono accumulati granuli di aleurone, possono accumulare terpenoidi e composti aromatici.