Riassunto esame Biologia vegetale e biotecnologie vegetali, prof. Tiezzi, libro consigliato: Botanica generale e diversità generale, Pasqua, Abbate, Forni

Biologia vegetale

Classificazione degli organismi

Prima del 2015, erano riconosciuti tre domini:

• Archaea
• Bacteria
• Eukaria (suddiviso in quattro regni: Protisti, Plantae, Fungi, Animalia)

La suddivisione degli eucarioti in sei supergruppi:

• Amoebozoa
• Opisthokonta
• Archaeplastida
• Chromalveolata
• Excavata
• Rhizaria

Dal 2015, due super-regni: Prokaryota e Eukariota e 7 regni. I prokaryota includono i due regni:

• Archea: membrane cellulari e pareti diverse da quelle degli altri esseri viventi, alofili estremi (elevata salinità), termofili estremi e metanogeni.
• Bacteria: provvisti di una parete cellulare (costituita da peptidoglicani), sono aerobi o anaerobi, autotrofi ed eterotrofi.

Gli eukaryota sono organizzati in:

• Animalia: ciclo vitale diplonte.
• Fungi: nutrizione eterotrofa, parete cellulare chitinosa, ciclo vitale aplo-dicarionte.
• Plantae: briofite, licofite con parete cellulare (autotrofi) costituita da cellulosa, (muschi e licheni), spermatofite, felci (gimnosperme e angiosperme: Biliphyta e Viridiplantae).
• Protozoa: organismi unicellulari eterotrofi e autotrofi (legati ad ambienti acquatici).
• Chromista: organismi unicellulari e pluricellulari di ambiente acquatico, diatomee, crosoficee e dinoficee.

La cellula vegetale

Nelle piante superiori, le cellule sono interconnesse dai plasmodesmi. Cellule dei tessuti di riserva contengono gli amminoplasti e quelle dei tessuti fotosintetici i cloroplasti. La membrana plasmatica e il protoplasma delimitano la cellula.

Citosol: all'interno della membrana plasmatica ed escluso dai compartimenti ed organuli circondati da membrana. Sono presenti RNA, ribosomi e gli elementi del citoscheletro. Gli scambi tra i diversi organelli avvengono attraverso il citosol, sede di numerosi processi metabolici come la sintesi di nucleotidi e aminoacidi.

Citoplasma: comprende il citosol e gli organuli cellulari (escluso nucleo e vacuoli). Le membrane sono componenti essenziali di tutte le cellule. La membrana plasmatica circonda la cellula, altre membrane racchiudono organuli eucarioti come il nucleo, i plastidi, i mitocondri e il vacuolo. Esse formano anche il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi.

Le membrane sono formate da molecole lipidiche cui sono associate proteine (glicoproteine), fosfolipidi con testa polare carica e due code idrocarburiche. Gli acidi grassi hanno code con 14 fino a 24 atomi di C. La presenza di doppi legami porta alla formazione di pieghe che influenzano il loro impacchettamento nel doppio strato lipidico.

La membrana non è una struttura statica, è formata da due strati. Non è statica perché la mancanza di legami covalenti tra le singole molecole lipidiche in un doppio strato consente libertà di movimento, infatti le molecole possono scivolare tra loro, ciò è dovuto alla flessibilità favorita dalla capacità dei fosfolipidi di membrana di flettere le loro code.

La maggior parte delle proteine di membrana ha regioni idrofiliche, che rendono possibile la loro associazione con i fosfati dei fosfolipidi e con l'acqua. Molte presentano anche delle regioni idrofobiche. Sono intrinseche quando sono immerse nel doppio strato lipidico, insolubili in acqua, ed estrinseche quando sono localizzate sul lato esterno o intorno alla membrana, sono solubili in acqua e si legano a quelle intrinseche o ai lipidi, fornendo legami tra le membrane e il citoscheletro.

Esistono altri quattro tipi di proteine, associate a:

• Acidi grassi
• Gruppi prenilici
• Fosfatidilinositolo
• Colesterolo

Le prime due si legano alle superfici citoplasmatiche delle membrane e coadiuvano la regolazione delle attività di membrana. Le penultime sono legate alla superficie extracellulare delle membrane. Ancora non sono state identificate le proteine legate agli steroli.

Il modello a mosaico fluido spiega le proprietà dinamiche delle membrane cellulari, descrivendo i rapporti tra lipidi e proteine. Il movimento delle proteine non avviene liberamente ma è regolato da strutture intrecciate. Le proteine di trasporto facilitano il passaggio di alcuni ioni e molecole polari (canali, carriers, pompe).

Canali: proteine transmembrana con funzione di pori selettivi.

Pombe: responsabili del trasporto attivo (Ca²⁺ e H⁺).

I canali proteici e le pompe sono formati sotto la direzione del nucleo. In questo modo la cellula può controllare non solo il tipo di canali ma anche il loro numero e la loro inserzione nei vari tipi di membrane.

Carrier: non hanno pori, il legame con il substrato da trasportare provoca alla proteina un cambiamento di conformazione.

Parete cellulare

Compartimento esterno della membrana plasmatica. Costituita da polisaccaridi e da fenilpropani. Oggi è considerata un compartimento attivo, indispensabile nella conduzione di acqua e soluti, nel riconoscimento tra self e non self. La maggior parte delle cellule differenziate sono caratterizzate da una parete sottile detta primaria, mentre le cellule di alcuni tessuti (come quello di conduzione o di sostegno) hanno pareti spesse.

Componenti della parete: La componente fibrillare è costituita da cellulosa (polimero del glucosio). Le singole unità di glucosio formano catene lunghe fino a qualche migliaio di residui di cellobiosio. Nonostante la capacità della cellulosa di formare legami H e quindi di legare molecole di H₂O, il polimero nella sua forma cristallina è anidro e dunque insolubile. Il legame di tipo beta è alla base della formazione della chitina, che costituisce la parete dei funghi, composta da residui di N-acetil-glucosamina.

Nelle pareti primarie le microfibrille di cellulosa sono immerse in una matrice costituita da polisaccaridi appartenenti ai gruppi delle emicellulose e delle pectine. Glicano è il termine generale che indica un polimero di un qualsiasi zucchero. Le emicellulose sono un gruppo eterogeneo di polisaccaridi legati alla componente fibrillare della parete grazie alla loro capacità di formare legami H. Nei dicotiledoni l’emicellulosa più abbondante è lo xiloglucano.

Le pectine (formate da acido galatturonico) sono la componente strutturale più facile da estrarre dalla parete, basta usare acqua calda dello ione Ca²⁺. La carica di alcuni polimeri peptici fa sì che le pectine formino gel. Nella parete si ha anche il RGI e il RGII, che è costituito da una catena base di omogalatturonano. Arabinani, galattani, xilogalatturonani e arabinogalattani sono altri polisaccaridi che interagiscono formando legami covalenti.

Le proteine strutturali presenti nella parete sono:

• Glicoproteine ricche in idrossiprolina (HRGP)
• Proteine ricche di prolina (PRP)
• Proteine ricche in glicina (GRP)
• Arabinogalattanoproteine (AGP) glicosilate

Le proteine di parete sono di solito glicosilate, ovvero dotate di catene laterali glucidiche legate a specifici residui aminoacidici, e sono solubili. Le AGP hanno un ruolo segnale nei processi di sviluppo.

La lignina è presente quasi solo nella parete secondaria. Essa è il polimero alla cui comparsa è legata la conquista delle terre emerse da parte delle piante. È un polimero di natura fenolica, idrofobo e rigido. I suoi costituenti di base sono l’alcol coniferilico, l’alcol sinapilico e l’alcol cumarilico. Rende la parete resistente alla compressione. Dopo la cellulosa, è il polimero più abbondante in una pianta, resistente alla degradazione chimica ed enzimatica.

Biosintesi della parete

I componenti possono venire sintetizzati sul posto, nel citoplasma e poi essere secreti nello spazio extracellulare. La biosintesi della cellulosa avviene nel "complesso della rosetta", costituito da subunità denominate cellulosa sintasi. Da ogni rosetta si originano microfibrille con diametro medio di 18-24 catene di beta-glucano. I residui di glucosio necessari per la sintesi provengono dal saccarosio citoplasmatico, un dismesso di glucosio e fruttosio. C’è una relazione tra la disposizione regolare delle fibrille di cellulosa e l’organizzazione dei microtubuli corticali.

Durante la sintesi della parete primaria e secondaria, è fondamentale il ruolo di proteine CSI1 e CC. La biosintesi dei polimeri di matrice (emicellulosici e peptici) avviene nell’apparato di Golgi grazie ai glicosiltrasferasi di membrana. La sintesi delle proteine di parete inizia nel citosol, dove esse sono dotate di un peptide N-terminale che le indirizza al reticolo e ne media l’attraversamento della membrana.

Nelle tracheiti delle conifere, si inizia con la deposizione preferenziale di alcol camarilico. La polimerizzazione non consiste solo nella condensazione ma anche nella formazione di legami covalenti con altri polimeri della parete. Le cellule con pareti secondarie svolgono la loro funzione (conduzione e sostegno) da morte. Poiché solo la cellulosa e il callosio vengono sintetizzati sul posto, è necessario che gli altri componenti siano assemblati; questo avviene per autoassemblaggio.

Pareti primarie e secondarie

La parete che andrà a dividere le due cellule figlie si forma dalla piastra cellulare che va a fondersi con la membrana plasmatica e la parete della cellula madre. Una volta formata, la nuova cellula cresce per distensione. Se le fibrine sono poste in modo casuale, la crescita è di tipo isotropico, mentre se sono disposte in modo ordinato la crescita sarà anisotropica. Generalmente, la parete primaria ha fibrine disposte in modo trasversale e spirale, quindi le cellule crescono in lunghezza. In alcuni tipi di cellula si può avere crescita apicale.

Fusto

Il fusto ha la funzione di sostegno dell’apparato fogliare e un ruolo nel processo di conduzione di linfa grezza ed elaborata. In piante allo stato giovanile, svolge il processo di fotosintesi (stomi presenti sull’epidermide). In alcune piante allo stadio adulto, svolge la fotosintesi (stomi sull’epidermide). In alcune piante, il fusto ha un ruolo di accumulo; nel fusto si trovano i nodi (luoghi dove si formano le foglie) e gli internodi (spazi tra due nodi).

Liana: il fusto ha solo ruolo di conduzione e consiste di diversi tipi di tessuto:

• Rivestimento
• Conduzione
• Meccanici
• Meristematici
• Di riempimento

Esistono due tipi di legno:

• Legno omoxilo (confere-gimnosperme): costituito da fibrotracheidi che svolgono funzione di trasporto, sostegno e immagazzinamento delle riserve.
• Legno eteroxilo (angiosperme e una classe delle gimnosperme, gnetopsida): con fibre con specializzazioni funzionali diverse, quali funzione di sostegno, trachee con funzione di conduzione e cellule parenchimatiche con diversa funzione.

Parete primaria: ciò che accomuna le pareti primarie è di essere plastiche e di contenere un protoplasma vivo. Nelle cellule meristematiche e parenchimatiche, la parete è sottile.

Parete secondaria: in alcuni tipi cellulari, quando cessa la crescita, vengono deposti ulteriori strati di parete. Alcune cellule con parete secondaria svolgono la loro funzione anche da morte (come nelle tracheiti e nei vasi). Si forma in seguito a quella primaria tramite depositi formati da vari strati esterni, interni e mediani, ricchi di cellulosa e più resistenti della parete primaria.

Le cellule dei tessuti tegumentali hanno pareti modificate per essere impermeabili all’acqua, la porzione esposta all’esterno è ricoperta dalla cuticola (costituita da cutina, cere e altri polimeri). Si crea per condensazione, tramite legami esterei, di acidi grassi ossigenati. I cristalli di cera possono diffondere la luce, modificando il colore della pianta. L’impermeabilizzazione della parete può essere attuata mediante la deposizione di suberina (composta da acidi grassi ossigenati). Nelle radici, essa è presente nelle pareti delle cellule dell’esoderma e viene depositata anche nei punti di ferita (es. imbruttimento della patata, difesa contro i patogeni).

I rapporti quantitativi tra i costituenti possono cambiare portando alla gelificazione. In parete possono essere deposte sostanze minerali come la silice e il carbonato di calcio (processo che prende il nome di mineralizzazione, tipica nelle graminacee e negli equiseti, a causa dei silicati che il margine delle foglie delle graminacee è tagliente e gli equiseti sono ruvidi).

La plasticità dipende dalla componente pectica. L'elasticità dipende dalla componente fibrillare. Le cellule ricche di cellulosa, come il collenchima, tornano nella loro forma originale. Quindi la plasticità e l'elasticità dipendono dall'equilibrio tra componente pectica e cellulosica.

Funzioni della parete cellulare: acquisizione e mantenimento della forma. La forma dipende anche dall’adesione tra cellule. La rigidità della parete consente di controbilanciare la pressione di turgore, dunque partecipa alla regolazione del bilancio idrico. Svolge anche una funzione meccanica.

Trasporto e plasmodesmi

Il movimento dell’acqua e dei soluti in essa disciolti può avvenire nello spazio interno alla membrana plasmatica. Nel primo caso avviene attraverso i plasmodesmi, strutture che congiungono i citoplasmi di cellule adiacenti.

Simplasto: la continuità di citoplasmi che fa da via al trasporto citoplasmatico.

Apoplasto: insieme delle pareti e del sistema di conduzione xilematico.

Affinché il simplasto possa esistere, sono necessari dei punti di contatto tra citoplasmi di cellule adiacenti. I plasmodesmi primari originano da una non completa fusione della piastra cellulare e i secondari si formano dopo che le membrane plasmatiche delle cellule adiacenti sono potute venire in contatto. Attraverso il plasmodesma non passa solo la membrana plasmatica, ma anche un tubulo del reticolo endoplasmatico detto desmotubulo. Passaggio di metaboliti come zuccheri, aminoacidi e ormoni avviene anche attraverso questi canali.

Separazione cellulare: consiste nel riarrangiamento (degradazione ed eventuale nuova sintesi) mediato da enzimi di parete di molti dei polimeri della parete cellulare.

Abscissione di organi quali foglie e frutti. La lisi della lamella mediana è totale e porta alla separazione completa delle cellule attigue. La degradazione dei polimeri di matrice è più blanda e controllata. La separazione cellulare è molto importante dal punto di vista economico (conservabilità dei cibi e la loro durezza).

Citoscheletro

Il citoscheletro è una complessa rete di filamenti proteici che si estende nel citosol della cellula eucariotica. Esso regola l’organizzazione spaziale interna della cellula.

I componenti fondamentali del citoscheletro sono tre tipi di polimeri proteici filamentosi:

• Microtubuli: cilindri cavi con un diametro di 25 nm. La parete della cavità del microtubulo risulta costituita da 13 protofilamenti paralleli, presentano una polarità strutturale.
• Filamenti di actina: due catene lineari di molecole di actina avvolte l’una all’altra a spirale. I filamenti di actina sono più sottili, corti e flessibili.
• Filamenti intermedi: non sono strutture altamente dinamiche ma stabili e durature, si trovano anche nelle cellule epiteliali, muscolari e nervose.

Sia i microtubuli che i filamenti di actina sono strutture instabili e dinamiche. Le molecole di tubulina legano e idrolizzano guanosina-5’-trifosfato. Nel caso dei filamenti di actina si osserva un comportamento dinamico denominato mulinello. I microtubuli, pur presentando il fenomeno del mulinello, sono caratterizzati da un comportamento definito instabilità dinamica.

Proteine motrici ed accessorie: i movimenti dipendono dall’intervento di una serie di proteine motrici. Esse appartengono a due gruppi: chinesine e dineine. Le proteine motrici che legano i filamenti di actina appartengono alla famiglia delle miosine. La loro funzione è di effettuare i trasporti intracellulari avanzando sui filamenti citoscheletrici. Le proteine che legano l'actina sono molto numerose e con funzioni diverse.

Durante il ciclo cellulare della cellula vegetale si possono individuare diversi apparati citoscheletrici associati a funzioni specifiche svolte in distinti momenti del ciclo:

• Apparato interfasico di microtubuli corticali
• Banda preprofasica
• Fuso mitotico
• Fragmoplasto

Nelle cellule vegetali in interfase, i microtubuli sono disposti nella porzione periferica del citoplasma. La principale funzione riconosciuta per il sistema di microtubuli corticali è il controllo della direzione di sintesi delle microfibrille di cellulosa.

Banda preprofasica: è una struttura citoscheletrica che compare poco prima dell’inizio della profase, costituita da una banda di microtubuli e di filamenti di actina co-allineati che si addensano formando un anello. I filamenti citoscheletrici che costituiscono la banda depolimerizzano completamente. Essa lascia un segnale molecolare duraturo nella cellula: predice la posizione in cui il futuro setto di divisione tra le due cellule figlie si unirà alla membrana plasmatica.

Fuso mitotico: struttura citoscheletrica che assicura la corretta ripartizione dei cromosomi nei due nuclei figli durante la mitosi. Le principali differenze tra cellule animali e vegetali riguardano l’assenza di cenarosomi nel fuso mitotico delle cellule vegetali. Durante l’interfase si ha la duplicazione del centrosoma con produzione di due centrosomi figli.

Fragmoplasto: alla fine della divisione nucleare avviene la ripartizione del citoplasma delle due cellule figlie, detta citochinesi. Nelle cellule vegetali il fragmoplasto assiste la costruzione della nuova parete guidando le vescicole, provenienti dall’apparato di Golgi, al centro del piano di divisione. Formazione di un compartimento temporaneo a forma di disco, la piastra cellulare che si espande lateralmente verso la periferia. Il fragmoplasto si origina nella zona centrale di citoplasma, tra i due gruppi di cromosomi.