Riassunto di Botanica

Riassunto di botanica

Organismo vegetale

Gli organismi vegetali si distinguono da quelli animali per le seguenti caratteristiche:

• Mentre gli animali sono eterotrofi, i vegetali sono autotrofi.
• I vegetali sono alla base della catena alimentare poiché sfruttano l’energia solare compiendo la fotosintesi che permette di sintetizzare glucosio e rilasciare ossigeno in aria, entrambi indispensabili per gli animali e tutti gli altri organismi.
• Gli organismi vegetali non necessitano di spostarsi dal proprio ambiente per nutrirsi.
• Necessitano però di grandi superfici per assorbire la CO₂ presente nell’aria.
• La loro crescita è continua per tutto il loro ciclo di vita.
• Hanno un’organizzazione fisiologica e comportamentale decentralizzata che dipende dall’interazione delle singole cellule che comunicano tra loro rispetto all’intero organismo.
• Hanno una grande capacità rigenerativa.
• Sviluppano organi avventizi.

Le piante sono autotrofe in quanto traggono il loro nutrimento dall’ambiente circostante sfruttando gli ioni inorganici presenti nel terreno o in acqua (nel caso di alghe, ad esempio), la CO₂, l’H₂O sintetizzando quindi molecole organiche che utilizzano per il proprio nutrimento. Le piante spesso utilizzano la fotosintesi per produrre il proprio nutrimento, talvolta però possono compiere l’ossidazione di ioni inorganici per sfruttare l’energia liberata dalla reazione, come nel caso di chemio-autotrofi.

La fotosintesi consiste nel fatto che, a partire da molecole inorganiche semplici di basso contenuto energetico, si arriva a molecole organiche più complesse e di un maggiore contenuto energetico. H₂O + CO₂ → C₆H₁₂O₆ + (6)O₂. Il processo tramite il quale avviene l’aumento di energia della nuova molecola organica nella reazione è detto riduzione.

Variazione del grado di riduzione R = (C + 1/4H - 1/2O)/C. Le piante assorbono CO₂ e H₂O per mezzo della diffusione (Legge di Fick V = DA(dc/l)).

Le molecole organiche sono sostanze di alto contenuto energetico costituite prevalentemente dal carbonio. L’insieme delle molecole organiche sono rappresentate dai carboidrati, i lipidi e le proteine. L’unità dei polimeri di carboidrati prende il nome di monosaccaride, nel caso di più unità concatenate si parla di polisaccaridi. La loro funzione è soprattutto di tipo energetico, come nel caso di glucosio, galattosio e fruttosio. Nel caso dell’amido la funzione è di riserva e nel caso della cellulosa è di struttura.

I lipidi vengono utilizzati dagli organismi per funzioni di riserva, come nel caso di trigliceridi, o funzioni di struttura nel caso di fosfolipidi. L’unità dei polimeri delle proteine prende il nome di nucleotide e le catene di nucleotidi prendono il nome di polipeptidi. Le proteine svolgono varie funzioni, in particolare costituiscono il DNA.

Infine, le piante sono importanti perché sono alla base della catena alimentare, per la capacità di regolare il clima, di trattenere il terreno per i fabbisogni energetici dell’uomo, per la loro utilità come materie prime rinnovabili, per la costruzione di manufatti, per i metaboliti secondari e l’impatto positivo che hanno sulla psiche umana.

La cellula

Gli organismi unicellulari svolgono tutte le funzioni degli organismi pluricellulari. Per la teoria cellulare tutti gli organismi sono costituiti da cellule, le reazioni chimiche avvengono all’interno di queste ultime, inoltre queste si riproducono e contengono l’informazione genetica. Gli organismi viventi essendo sistemi aperti hanno sempre degli scambi di sostanze con l’ambiente esterno. Grazie a una maggiore superficie di assorbimento, gli organismi hanno una maggiore velocità di assorbimento delle sostanze di cui si nutrono.

Nei microscopi, minore è la lunghezza d’onda della sorgente, maggiore è la risoluzione. Il microscopio ottico è caratterizzato da Ld = 400 nm, ha una sorgente da cui si diparte un raggio che passa per le lenti del condensatore, dal preparato, dalle lenti dell’obiettivo, dell’oculare e arriva infine all’occhio. Il microscopio elettronico ha Ld = 2 nm, ha una sorgente di elettroni che rilascia un fascio di essi passante per le lenti del condensatore, per il preparato, le lenti dell’obiettivo, del proiettore ed infine su uno schermo fluorescente. Il microscopio elettronico a scansione (3D) ha Ld = 10 nm, ha una sorgente di elettroni che rilascia un fascio di essi passante per le lenti del condensatore, per un deflettore, le lenti del proiettore, il preparato ed infine l’immagine viene proiettata su uno schermo televisivo.

Gli organuli che contraddistinguono una cellula vegetale sono il vacuolo, i plastidi e la parete cellulare. Gli organuli caratteristici delle cellule animali sono i centrioli.

Organuli comuni alla cellula vegetale e animale

Plasmalemma o membrana cellulare

Caratteristiche:

• La membrana cellulare presenta la conformazione a mosaico fluido.
• Delimita il citoplasma.
• Intrattiene rapporti di relazione della cellula.
• Attraverso le proteine intrinseche regola gli scambi fra interno ed esterno della cellula.

La membrana plasmatica è costituita in ugual misura di proteine e lipidi e al 10% di carboidrati che servono a formare glicoproteine e glicolipidi. I lipidi possono essere suddivisi in fosfolipidi, steroli e glicolipidi. Essi conferiscono resistenza elettrica e scarsa permeabilità alla membrana. Come conseguenza, la membrana risulta separata in compartimenti metabolicamente diversi.

Nei lipidi, i trigliceridi svolgono un’importante funzione di riserva. Essi sono costituiti da una glicerina collegata a tre acidi grassi. I fosfolipidi invece presentano una testa idrofila costituita da un fosfato collegato alla colina da un lato e al glicerolo dall’altro. A quest’ultimo sono collegati due acidi grassi che nel loro insieme formano una coda idrofoba. Grazie al loro carattere anfibio o anfipatico, queste molecole possono dare luogo a diversi aggregati molecolari a contatto con l’acqua.

La struttura del doppio strato fosfolipidico è asimmetrica e differisce estremamente per composizione chimica da cellula a cellula. La membrana cellulare può essere instabile per la fluidità o eccessivamente rigida a causa degli acidi grassi che possono essere saturi o insaturi presenti in essa. Grazie all’introduzione di steroli, essa può essere più stabile.

Le proteine sono responsabili della maggior parte delle funzioni della membrana. Il tipo e la quantità di proteine riflettono le funzioni della membrana. Esse possono essere suddivise in enzimi, trasportatori e recettori/trasduttori. Possono essere transmembrana o periferiche, singole ad alfa eliche o alfa eliche multiple. Una particolare funzione proteica è svolta dalle aquaporine che facilitano il passaggio dell’acqua attraverso la membrana.

Le proteine di trasporto determinano la permeabilità selettiva della membrana. I meccanismi di trasporto svolti dalle proteine possono essere uniporto, simporto o antiporto. Il trasporto attraverso la membrana può essere passivo, che cioè avviene attraverso meccanismi di diffusione semplice o facilitata, oppure attivo, che può essere primario o secondario a seconda che sia svolto con dispendio diretto di energia (ATP) o indiretto.

Un’altra funzione importante delle proteine è quella recettoriale. Grazie alla recezione, le piante possono percepire gli stimoli esterni. I recettori possono essere ormonali, per la luce e sono importanti per la comunicazione cellulare. La presenza di recettori ormonali innesca la trasduzione del segnale che induce l’attivazione dei processi cellulari. I seguenti recettori della luce: fitorecettori, criptocromi, fototrofina e supercromo, sono responsabili della percezione della luce nella sua durata, intensità, direzione e colore (lunghezza d’onda). Grazie a questi parametri, la pianta può adottare differenti strategie di sopravvivenza come il fototropismo o, grazie al fotoperiodismo, entrare in una fase di fioritura o vegetativa a seconda che essa sia brevidiurna o longidiurna e in base alla stagione che sta attraversando.

Un fitocromo consiste di due proteine identiche unite a formare una molecola funzionale. Ognuna di queste proteine possiede due domini. Essi riguardano l’attività fotorecettoriale e quella chinasica. Esso, grazie a una particolare luce rossa (660 nm), permette al seme che lo possiede di attivarsi dando una risposta biologica allo stimolo che determina la germogliazione o, in caso di lunghezza d’onda differente (730 nm) o buio prolungato, si ha una degradazione o riconversione del seme allo stato iniziale.

Il 10% di carboidrati presenti nelle membrane è esposto alla superficie esterna della membrana e legato a proteine (glicoproteine) o lipidi (glicolipidi). Il loro ruolo consiste nel riconoscimento di specifiche molecole.

Più in generale, la membrana permette la separazione di ambienti biochimici incompatibili per quanto riguarda il pH, la composizione ionica, quella enzimatica e i metabolismi. Si ha poi una separazione fra il compartimento vivente (simplasto) e le porzioni non viventi della pianta (apoplasto). Nell’apoplasto è presente la parete cellulare, la quale è determinata grazie alla sintesi della cellulosa e alla secrezione di molecole riducenti che, reagendo con l’ossigeno, portano alla produzione di H₂O₂ necessaria alla sintesi lignina. Il mantenimento dello stato di turgore della cellula vegetale è permesso grazie alla collaborazione di parete cellulare, vacuolo e al processo di osmosi.

Citosol o citoplasma

Sostanza gelatinosa presente all’interno dello spazio cellulare in cui avvengono le reazioni metaboliche della cellula e in cui sono sospesi gli organuli cellulari.

Reticolo endoplasmatico rugoso

Il reticolo endoplasmatico rugoso è una struttura che si trova tra l’involucro nucleare e il reticolo endoplasmatico liscio. Esso è un complesso sistema di membrane o sacculi appiattiti chiamate cisterne. Alla faccia citosolica del RER sono associati i ribosomi. Le funzioni principali di questa struttura sono:

• La sintesi delle proteine ad opera dei ribosomi.
• L’instradamento delle proteine dalle cisterne ai luoghi di destinazione e utilizzo.
• La regolazione dei livelli di Ca²⁺ nel citosol.
• L’interconnessione delle cellule a livello dei plasmodesmi.

Le proteine sintetizzate sul RER entrano nel lume delle cisterne con meccanismi di co-traduzione.

Reticolo endoplasmatico liscio

Il reticolo endoplasmatico liscio è privo di ribosomi. È connesso al metabolismo lipidico, ai processi di detossificazione ed eliminazione di sostanze tossiche.

Mitocondri

I mitocondri sono organuli semiautonomi con proprio DNA responsabili della respirazione cellulare. Essi sono strutturati secondo la membrana esterna e il complesso di membrane interne che, per via delle invaginazioni di queste ultime, sono chiamate creste mitocondriali. La respirazione consiste in tre passaggi: 1) glicolisi, fuori dalla membrana, 2) il ciclo di Krebs nella matrice e 3) la catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa che avvengono nello spazio intermembrana. L’ATP prodotto attraverso la respirazione cellulare permette a diversi elementi cellulari di compiere lavoro di trasporto, meccanico o chimico.

Citoscheletro

Il citoscheletro è un sistema dinamico che si trova all’interno del citosol caratterizzato da strutture filiformi che regola l’organizzazione spaziale interna alla cellula. I polimeri che costituiscono il citoscheletro sono i microtubuli, i microfilamenti e i filamenti intermedi.

I microtubuli sono strutture dinamiche costituite da subunità proteiche (alfa tubulina e beta tubulina) che costituiscono gli eterodimeri. Gli eterodimeri costituiscono i protofilamenti. 13 protofilamenti associati e sfasati tra loro di 0,9 nm costituiscono i microtubuli. I microtubuli sono strutture polarizzate che si allungano grazie all’introduzione di GTP e si accorciano con la formazione di GDP. I microfilamenti sono costituiti da filamenti di actina grazie ai legami con l’ATP. I filamenti intermedi sono strutture stabili e durature che conferiscono resistenza meccanica allo stiramento della cellula. La natura proteica di questi elementi cellulari è incerta. All’interno dei nuclei, le lamine costituiscono la lamina nucleare.

Il citoscheletro svolge una funzione importante anche nel ciclo di riproduzione cellulare. La divisione cellulare può essere suddivisa in tre fasi principali: orientamento del piano di divisione cellulare, fuso mitotico e citochinesi o citodieresi. L’orientamento dei microtubuli determina l’orientamento delle micro-fibrille di cellulosa. La formazione degli ispessimenti nella parete degli elementi vascolari dipende dalla disposizione dei microtubuli.

Golgi o dirctiosoma

L’apparato di Golgi è un complesso (presente nel citosol) costituito da sacculi associati uno all’altro dai quali si distaccano vescicole. L’apparato del Golgi è implicato nel rimaneggiamento e smistamento dei prodotti che debbono essere secreti all’esterno o trasportati in altri compartimenti. I prodotti, cioè proteine e polisaccaridi, passano attraverso la facciata cis e quella trans all’interno di vescicole che possono essere di trasporto o che possono servire alla maturazione delle cisterne. Esistono due popolazioni di dittiosomi; quella specializzata nella modificazione di proteine (del reticolo endoplasmatico) e quella specializzata nella sintesi di polisaccaridi.

Microcorpi

I microcorpi sono organuli di piccole dimensioni delimitati da una sola unità di membrana. Le loro funzioni sono di tipo biochimico. Questi possono essere suddivisi in lisosomi presenti negli animali, perossisomi nei vegetali e gliossisomi.

Nucleo

Il nucleo è l’organulo di maggiori dimensioni presente nel citoplasma. Esso si trova all’interno dell’involucro nucleare che lo protegge e permette lo scambio di sostanze con l’ambiente esterno grazie a pori nucleari. L’ambiente nucleare è costituito prevalentemente da cariolinfa in cui sono immersi i cromosomi.

Nucleolo

Il nucleolo è costituito da parti di cromosomi despiralizzati che si addensano fra di loro. Le anse di DNA contengono sequenze ripetute che codificano principalmente per rRNA. Al microscopio, il nucleolo è identificabile come una massa più o meno regolare all’interno del nucleo.

Parete cellulare

La parete cellulare costituisce un secondo rivestimento delle cellule vegetali. Essa ha determinato la scelta evolutiva delle piante verso l’immobilità e conferisce altre 4 importanti caratteristiche alla cellula:

• Rigidità e protezione
• Spessore fino a parecchi μm
• Resistenza meccanica
• Scarsa selettività chimica

Le cellule di un determinato organismo possono avere caratteristiche molto diverse in base allo stadio di sviluppo e alla propria funzione.

Origine della parete cellulare

La parete si origina al momento della divisione cellulare o mitosi. Questo processo può essere riassunto in quattro principali fasi: PROFASE, METAFASE, ANFASE e TELOFASE. Il ciclo cellulare è l’insieme di eventi che intercorrono fra due mitosi successive, cioè le fasi G1, S, G2, M per poi riiniziare.

La parete è costituita da una fase di microfibrille e una di matrice (pectine ed emicellulose). Essa è suddivisibile in tre strati principali che si originano nel seguente ordine: lamella mediana (il più esterno), parete primaria (intermedio) e parete secondaria.

Lamella mediana

Essa è costituita essenzialmente da pectine che vengono sintetizzate nell’apparato di Golgi e trasferite attraverso vescicole per mezzo del sistema dei microtubuli alla piastra equatoriale. Qui le pectine subiscono un processo di ulteriore polimerizzazione e generano il primo setto di separazione fra due cellule che in seguito si distribuirà su tutta la superficie cellulare. Le pectine sono un gruppo di polisaccaridi che formano catene più o meno ramificate. La principale componente è l’acido galatturonico. Le catene di quest’ultimo possono formare molecole di omogalatturonano con legami alfa 1-4. Se queste molecole sono metilate, allora sono solubili, in caso contrario insolubili. Altre pectine importanti presenti nella lamella possono essere il ramnogalatturonano I, ramnogalatturonano II, lo xilogaltturonano, gli arabinani e l’arabinogalattano I. La lamella mediana non rappresenta un setto continuo. In corrispondenza dei punti di discontinuità si formano i plasmodesmi che permettono la comunicazione tra cellule grazie ai desmotubuli, strutture appartenenti al reticolo endoplasmatico che permettono il passaggio di piccole molecole (800 Da) attraverso i plasmodesmi. I desmotubuli sono fissati in modo stabile all’interno dei plasmodesmi grazie a un complesso che comprende proteine integrali del plasmalemma e del reticolo unite tra loro da un terzo tipo di proteine. I meristemi presentano solo la lamella mediana.

Parete primaria

La parete primaria è il primo vero e proprio strato di parete ed è costituita da:

• Polisaccaridi: pectine (35%), emicellulose (25%) e cellulosa (25%)
• Un modesto numero di proteine: espansine, estensine ecc.
• Composti strutturali che possono modificare la struttura della parete come: cutina, lignina e suberina.

La composizione della parete può cambiare in base alla specie, al tipo di tessuto e all’organo considerato. Nella parete primaria ci sono microfibrille di cellulosa immerse in una matrice altamente idratata. Come per la lamella mediana, anche nel caso della parete primaria le pectine sono sintetizzate nel Golgi (attraverso il polisaccaride sintasi). Tra le pectine più importanti ci sono ancora gli omogalatturonani e i ramnogalatturonani.