Principi di Biologia Vegetale

Introduzione

Piante e animali: evoluzione ha accentuato caratteri diversi. Prima differenza: modo

di nutrirsi. Tutti esseri viventi composti da molecole organiche (contenenti C)

costruite da altre molecole (alimenti): animali hanno come sostanze di partenza

molecole organiche, piante invece sostanze inorganiche (CO2, H2O, sali

minerali). Richiesta molta energia per organicazione del carbonio: costruzione

complessi scheletri di C delle molecole organiche a partire dai singoli atomi di C nella

CO2. Piante utilizzano energia solare (luce visibile) per sintetizzare (più o meno

direttamente) tutte le molecole organiche di cui sono costituite partendo da molecole

inorganiche: Fotosintesi, CO2 + H2O + ioni inorganici (luce) sostanze



inorganiche + O2.

Organismi autotrofi regno vegetale (piante, alghe, alcuni batteri): si nutrono



solo di sostanze inorganiche, indipendenti da presenza di sostanze inorganiche

nell’ambiente. Eterotrofi regno animale (animali, funghi, molte specie



batteriche): necessitano di trovare sostanze organiche per nutrirsi. Componente non

vivente (abiotica) della Terra: sostanze inorganiche solo piante possono vivere



autonomamente.

Ecosistema: insieme degli esseri viventi e ambiente in cui vivono. Esseri viventi

animali e vegetali (componente biotica): biocenosi/comunità ecologica. Ambiente

(abiotico) dove vivono: ecotopo/habitat. Biocenosi interagiscono tra loro e con

l’habitat formando ecosistema: si creano interazioni reciproche, eq dinamico.

Ecosistema: sistema aperto, sua struttura dipende da flussi di energia (inizialmente

radiazione solare) e circolazione di materia tra viventi e ambiente.

Ciclo autotrofi-eterotrofi: parte delle sostanze inorganiche nel terreno (acqua e sali

minerali) e nell'aria (anidride carbonica) sono trasformate in sostanze organiche 

tessuti delle piante: primo anello della catena alimentare, produttori primari.

Consumatori primari, erbivori (insetti/animali superiori) che se ne nutrono

sfruttando l'energia chimica delle sostanze organiche prodotte dai produttori primari.

Consumatori primari sono poi preda dei consumatori secondari, carnivori

(predatori, es. grandi felini).

Piante sono alla base della catena trofica = insieme dei rapporti tra gli organismi di

un ecosistema. Organismi che hanno lo stesso ruolo nella catena alimentare

appartengono a stesso livello di alimentazione. Produttori primari, consumatori

primari, consumatori secondari.

Altri ruoli delle piante nell’ecosistema:

regolazione della composizione atmosferica: fortissima influenza su

 composizione dell’atmosfera terrestre e indirettamente, sul clima liberano O2,



consumano CO2 mantenendo costante la sua concentr nell’atmosfera 

costante anche temperatura: maggiore concentr CO2 implica più alta

temperatura (incremento effetto serra).

alimentazione: agricoltura.

 erosione del terreno: grazie alle radici, impediscono che il terreno venga

 eroso dagli agenti atmosferici.

fabbisogno energetico: combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale)

 formati in seguito alla parziale decomposizione di organismi in prevalenza

vegetali milioni di anni fa.

risorse rinnovabili: nutrimento, materie prime (fibre tessili e legno).

 medicina: prodotti farmaceutici direttamente/indirettamente dal mondo

 vegetale.

bioindicazione: popolamento vegetale come indicatore delle condizioni

 ambientali.

Caratteri tipici delle piante, carattere distintivo: nutrizione autotrofa

1) Immobilità spostamenti inutili, nutrimento in modo omogeneo: utilizzo di



foglie e radici. CO2 dalle foglie grazie a diffusione: movimento spontaneo di

molecole secondo gradiente di concentrazione, da zone più concentrate

(atmosfera) verso zone con minore densità (interno della foglia: concentr bassa

perché continuamente usata nell’organicazione del C) trasporto passivo, no



energia.

2) Sviluppo grandi superfici assorbenti (foglie, radici) rifornimento di CO2



sufficiente solo se c’è una superficie abbastanza ampia attraverso la quale entra

nella pianta, velocità della diffusione dipende dall’ampiezza della superficie.

3) Accrescimento indefinito espansione di sempre nuove superfici



nell’atmosfera e nel terreno. Piante perenni: aumento dimensioni per tutta la

vita, cellule morte non eliminate ma mantenute, contribuiscono a massa

corporea.

4) Lenta risposta agli stimoli: mediata dal solo sistema ormonale non



richiede risposte veloci a stimoli esterni o una precisa coordinazione. Non c’è

controllo centrale (sistema nervoso), ogni ormone influenza sviluppo di vari

organi e viene prodotto in più punti dell’organismo. Pianta tende ad adattarsi a

variazioni esterne (animali tendono a contrastarle, omeostasi) riposo



vegetativo: ridotte a zero le funzioni vitali quando condizioni ambientali (T e

umidità) sono sfavorevoli, più profondo del letargo di un animale, riserve

vengono spese solo al risveglio primaverile.

5) Alto grado di autonomia degli organi poca coordinazione tra essi. Una



parte dell’organismo può morire (foglie in autunno), ma il resto dell’organismo

rimane vitale. Non tendono a centralizzare le funzioni ma al decentramento.

Seconda grande differenza: animali sono organismi unitari (forma determinata,

sviluppo prevedibile), piante sono modulari forma non è determinata, sviluppo



altamente imprevedibile.

Regno vegetale

Caratteri comuni: 1) organismi autotrofi 2) fotosintesi per recuperare energia 3)

immagazzinano amido come riserva. Interdipendenza organismi e ambiente, grande

varietà di ambienti Elevata diversità: ampi gradi organizzativi di morfologia,



fisiologia, ecologia.

Piante a tallo - tallofite: piante il cui corpo vegetativo costituito dal tallo =

 struttura vegetativa semplice, poco/non differenziata, prive di strutture

specializzate come radici, fusto e foglie. Organismo unicellulare: unica cellula ha

tutte le funzioni vitali. Molte piante pluricellulari fatte da cellule simili (aspetto e

funzione), no divisione di compiti.

Piante a cormo – cormofite: costituite dal cormo = struttura vegetativa

 complessa, differenziata in tessuti organizzati in parti funzionalmente diverse

(organi). Parte ipogea (sotterranea) Radici: ancorano pianta al terreno,



assorbono dal suolo H2O e ioni. Parte epigea (aerea) Fusto: sostegno,



produzione di foglie, collegamento radici/foglie. Foglie: specializzate in

fotosintesi, funzioni accessorie legate alla riproduzione (foglie, frutti). Tali piante

rispondono a difficili condizioni della terraferma, molti svantaggi: densità minore

dell’acqua tessuti di sostegno, sostanze nutritive non distribuite



uniformemente nell’ambiente tessuti conduttori, pericolo disseccamento

 

tess di rivestimento. Piante a cormoide: caratteristiche intermedie, parziale

divisione in organi.

Piante a tallo, piante a cormoide piante inferiori. Piante a cormo piante

 

superiori.

Alghe: struttura semplice, no differenziazione in tessuti (tallofite), uni o

 pluricellulari, ambiente acquatico.

Briofite muschi: piccole dimensioni, semplici.

 

Pteridofite felci/equiseti: prime adattate alla terraferma, hanno

 

radici/fusto/foglie ma non semi, riproduzione tramite spore (riproduzione: uguali

a piante inferiori).

Gimnosperme (= a seme nudo): piante arboree/arbustive molto antiche

 (Paleozoico), nessuna protezione del seme.

Angiosperme: fiori e semi (frutto: protezione, diffusione nell’ambiente), elevata

 varietà di specie e di forme, origine evolutiva più recente. Divise in

Dicotiledoni e Monocotiledoni.

Evoluzione delle piante: influenza di eventi geologici/climatici. Due spinte evolutive:

organizzazione vegetativa (ottimizzare fotosintesi e produttività), riproduzione

(ottimizzare mantenimento e diffusione della specie.

Livello cellulare

Cellula vegetale eucariotica costituita dal protoplasto (sostanza vivente della

cellula): citoplasma + nucleo. Citoplasma: citosol (soluzione colloidale costituita da

acqua, ioni e altre sostanze, sede di numerose reazioni), organuli cellulari, sistema di

endomembrane. Ciclosi citoplasmatica: movimento dei componenti all’interno del

citoplasma.

Limite esterno del protoplasto: membrana plasmatica, controllo scambio dei

materiali interno/esterno della cellula, fosfolipidi + proteine. Tutte le membrane

della cellula costituite nello stesso modo. Non è statica (no legami covalenti), libertà di

movimento mosaico fluido. Asimmetrica: proteine che la compongono sono



estrinseche (appoggiate alla membrana) o intrinseche (la attraversano, controllo

passaggio sostanze.

Differenze dalle cellule animali (fattore chiave: nutrimento):

Plastidi: più importanti i cloroplasti fotosintesi (grazie a clorofilla)

 

Vacuolo: posizione centrale, occupa gran parte del volume cellulare turgore

 

cellulare, pH ottimale del citosol, riserva di sostanze

Parete cellulare: costituita da cellulosa (polimero del glucosio) e proteine

 (modifiche lignina, suberina). Plasmodesmi: canali, collegamento tra cellule.



1) Cellula: unità strutturale e funzionale della vita, organizzativa e autonoma 

Teoria cellulare. Non dimostra organizzazione cellulare delle piante superiori

Teoria organismica: unità primaria della vita è l’organismo: cellule



connesse (plasmodesmi) a formare complessi supracellulari.

2) Non esiste cellula vegetale tipo cellule meristematiche: indifferenziate,



capacità di dividersi e dare origine a cellule adulte (processo di

differenziamento), che hanno caratteristiche dipendenti dalla posizione e quindi

dalla funzione.

3) Cellula adulta: de-differenziamento cellula meristematica o altro tipo di



cellula adulta effetto posizione (se necessario cambiare propria funzione).



Plastidi: attività metaboliche fotosintesi, biosintesi acidi grassi, amminoacidi,



amido. Composti da ribosomi, uno o più nucleoidi = regioni contenenti DNA

procariotico (circolare, no istoni). Duplicazione per scissioni binaria.

Vari tipi a seconda della funzione: Cloroplasti (fotosintesi, verdi), Cromoplasti

(funzione vessillare, colorazioni diverse), Leucoplasti (funzione di riserva, no

pigmenti/strutture interne, es amiloplasti). Tutti derivano dai Proplastidi (plastidi

embrionali): indifferenziati, presenti nell’embrione e nelle c meristematiche,

dimensioni ridotte. Differenziazione dipende da fattori ambientali (luce/temp) e

maccanismi di regolazione: porzione aerea della pianta o strati più esterni 

cloroplasti, porzione sotterranea o strati interni leucoplasti. Plastidi maturi possono



trasformarsi in altro tipo facilmente, a seconda degli stimoli che ricevono.

Struttura plastidi: due membrane, esterna ed interna separate dallo spazio

intermembrana. Solo membrana interna possiede permeabilità selettiva =

regolazione passaggio di ioni/metaboliti da plastidio a citoplasma. Struttura interna

dipende dal tipo e dalla funzione solo in presenza di luce acquisita strutt interna.



Cloroplasti: fotosintesi (organismi autotrofi), dimensione 4-10 µm, forma elissoidale

non casuale, possono spostarsi indipendentemente, si orientano secondo l’energia



luminosa: illuminazione moderata asse maggiore parallelo a pareti colpite da luce,



illuminaz eccessiva perpendicolare.



Interno dei cloroplasti: stroma, fase solubile amorfa (enzimi, zuccheri, ribosomi, RNA,

nucleoidi) + sistema di endomembrane. Esso formato da tilacoidi, sacculi impilati

fra loro a formare i grana (collegati tra loro con lamelle). Dimensioni e n di grana

dipende da specie e ambiente. Fotosintesi avviene a livello della membrana dei

tilacoidi.

Fotosintesi: parti verdi della pianta, principalmente nelle foglie, tessuto particolare:

parenchima a palizzata. A partire da CO , entrata dagli stomi, e H O, assorbita dal

2 2

terreno (arriva grazie a tessuti conduttori), si forma una molecola di glucosio C H O

6 12 6

che verrà accumulato sotto forma di amido, (sostanza di riserva principale), e

rilasciato O (esce dagli stomi).

2

1) Fase luminosa: avviene nei grana scinde H2O, rilascia O2, energia luminosa



trasformata in ATP e NADPH. ATP: composto ad alta energia, prodotto con una

reazione endoergonica = energia dei prodotti maggiore di energia dei reagenti,

assorbimento di energia dall'esterno. ATP ha vita di pochi secondi, necessario

produrlo in continuazione.

2) Fase oscura – Ciclo di Calvin: nello stroma energia di ATP e NADPH



utilizzata per ridurre la CO2 e produrre glucosio (organicazione del C).

Materie prime della fotosintesi:

Anidride carbonica (presente nell’atmosfera in meno dello 0,05%) giunta

 

grazie agli stomi, aperture dell’epidermide inferiore della foglia: evitano

surriscaldamento della parte superiore. Va in soluzione in un sottile strato

d’acqua, poi arriva ai cloroplasti per diffusione. Piante utilizzano enorme qtà di

CO2 Ciclo del carbonio: ripristino di CO2 grazie a respirazione (piante e



animali), decomposizione, incendi, eruzioni vulcaniche, riserve negli oceani (e

emissioni dei fattori produttivi) CO2 non è mai fattore limitante!



Acqua: assorbite ingenti qtà dal terreno. Incorporata in citoplasma/vacuolo per

 mantenere turgore cellulare. Persa quasi totalmente sotto forma di vapore

acqueo, meno dell’1% utilizzato nella fotosintesi (serve come fonte iniziale di

e-). Se H2O carente può diventare un fattore limitante: a temperature

molto elevate H2O evapora dal suolo carenza di H2O per la pianta chiusura

 

stomi per limitare perdita di H2O si blocca entrata di CO2.



Luce (energia solare): piante utilizzano 80% della luce visibile, lunghezze

 d’onda più utilizzate sono violetto-blu e arancio-rosso. No luce verde che viene

riflessa, per questo piante fotosintetizzanti sono verdi. In ambiente terrestre

non è mai fattore limitante. Piante necessitano di intensità luminose diverse:

possono essere eliofile (100% intensità, alte t, più diffuse), sciafile (<2%, basse

t, piante d’ombra).

Pigmenti fotosintetici: sostanze chimiche che appaiono colorate perché quando

illuminate da luce bianca assorbono solo alcune radiazioni dello spettro luminoso,

altre sono respinte. Localizzate nelle membrane dei tilacoidi, 2 classi:

Clorofille: metallocomposti (contengono metalli, famiglia delle porfirine). Più

 importante, maggior quantità Clorofilla a: tutti organismi fotosintetici.

Clorofilla b: alghe verdi, tutte piante terrestri. Quando c b assorbe la luce la

trasferisce alla c a spettro di assorbimento (lunghezza d’onda/assorbimento)



più ampio. Clorofilla c/d: alghe rosse, elevate profondità. Molecola di clorofilla

formata da 4 anelli pentagonali azotati legati tra loro, al centro atomo di Mg.

Presenta un gruppo R, ancoraggio alla membrana dei tilacoidi, e un gruppo X,

diverso nei vari tipi di clorofilla.

Carotenoidi: liposolubili, colore giallo/arancio, in tutti organismi fotosintetici,

 es. beta-carotene. Prendono parte a catena di trasporto energia, proteggono

centro di reazione da ossidazione. Negli org non fotosintetici utili nel sistema

immunitario (contro radicali liberi), colorazione di animali. Autunno: nelle foglie

prevalgono carotenoidi, colorazione rossastra.

Molecole di pigmenti raggruppate in complessi (250-400 molecole) che catturano la

luce: unità fotosintetiche o fotosistemi.

Fotosistema: formato da centro di reazione, molecola clorofilla a, responsabile

reazioni fotochimiche (attivate dalla luce), circondato da complessi antenna,

molecole di clorofilla a, b e carotenoidi che assorbono energia luminosa (fotoni) e la

trasferiscono al centro di razione. Due tipi di fotosistema: PS I e PS II (numerazione

dipende da ordine della loro scoperta).

Luce come fonte di energia: effetto fotoelettrico se metallo è colpito da un



fotone e ne assorbe energia si carica positivamente e libera elettroni che sono

eccitati, passano a livello energetico maggiore. Minore lunghezza d’onda comporta

maggiore energia contenuta. Quasi immediatamente e- torna a livello energetico

originario, liberando energia.

Elettroni nella clorofilla: numerosi doppi legami, struttura aromatica, elettroni di tali

legami sono delocalizzati, formano due anelli sopra e sotto piano della molecola 

debolmente legati alla clorofilla, facilmente trasferiti.

Eccitazione degli elettroni della clorofilla: stabili per un microsecondo elettrone



eccitato ha 3 vie:

Fluorescenza: e- ritorna sulla molecola di cl cedendo energia calore

 

Risonanza: trasferisce propria eccitazione a cl vicina

 Riduzione: riduce una molecola che funge da accettore carica positiva

 

sull’atomo di Mg

Risonanza e riduzione comportano trasferimento di energia: usata per far avvenire

reazioni chimiche nei cloroplasti non si ha fluorescenza: pigmenti antenna



convogliano energia al centro di reazione per risonanza centro di reazione attiva



reazioni fotochimiche: molecola donatore privata di un e- che viene trasferito a

molecola accettore per riduzione.

Fotosistema PS II: membrana tilacoidi, formato da complesso antenna, centro di

reazione P680 (riferito al picco nello spettro di assorbimento), plastochinone,

citocromo b6f, plastocianina.

1) Complesso antenna: trasferisce eccitazione a clorofille del P680 per risonanza.

2) P680: complesso enzimatico con due clorofille centri di reazione associate 

elettroni delle due clorofille sono eccitati e vengono trasferiti al plastochinone

per riduzione. Elettroni persi ripristinati dalla fotolisi dell’acqua grazie ad un

complesso del PS II, OEE (oxygen evolving enhancer): da una molecola di H2O

(ossidata) si ottiene 1/2 molecola di O2, 2 protoni H+ e 2 e- processo che ha



permesso accumulo di O2 nell’atmosfera. H+ formati si tro