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Ecco gli appunti di studio dettagliati relativi alla biologia delle cellule vegetali:

Introduzione alla Biologia della Cellula Vegetale

• Le cellule vegetali, diversamente da quelle animali, sono totipotenti, capaci di convertire l'energia luminosa in energia chimica attraverso la fotosintesi.
• Nel 1600, Hooke osservò al microscopio cellule di sughero, chiamandole "cells".
• "Omnis cellula e cellula" di Virchow, significa che tutti gli esseri viventi sono formati da cellule e che ogni cellula deriva da un'altra cellula. I virus non sono considerati organismi, ma parassiti.
• In una pianta, gli organi principali sono tre: foglia, fusto e radici.
• L'embriogenesi e l'organogenesi nelle piante sono processi separati, permettendo all'organogenesi di adattarsi all'ambiente, dato che le piante sono immobili e la pianta embrionale deve adattarsi alle condizioni ambientali.
• Circa 4,5 miliardi di anni fa, la Terra era priva di ossigeno.
• La vita sulla Terra è apparsa circa 3,7 miliardi di anni fa.
• L'ossigeno è comparso circa 3,5 miliardi di anni fa grazie alla fotosintesi ossigenica dei cianobatteri.
• L'atmosfera terrestre è passata da una composizione iniziale ricca di He e H, a una fase dominata dal vapore acqueo, fino a diventare aerobica.
• L'ozono, derivante dall'ossigeno non era inizialmente presente. Per questo la vita primordiale era acquatica perché l'acqua protegge dai raggi UV. Con lo strato di ozono, la vita si è potuta spostare sulla terraferma.
• L'origine della vita potrebbe essere extraterrestre, come suggerito da Arrhenius, supportato dalla presenza di composti organici in alcuni meteoriti. Un'altra ipotesi è l'evoluzione chimica, in cui le prime molecole organiche si sono formate da reazioni tra atomi di C, O, H, N grazie all'energia di eruzioni vulcaniche, accumulandosi in mari/laghi secondo l'ipotesi di Oparin. Un esperimento ha confermato ciò, ottenendo macromolecole organiche vitali in un modello di brodo primordiale.
• Un'ulteriore ipotesi è quella del mondo a RNA, in cui le prime forme di vita erano basate solo sull'RNA, capace sia di agire come materiale genetico che di catalizzare la formazione di legami peptidici.

Cellule Eucariotiche e Procariotiche

• Le cellule eucariotiche e procariotiche sono delimitate da una membrana plasmatica composta da fosfolipidi e proteine.
• Entrambi i tipi cellulari contengono citoplasma, cromosomi (DNA) e ribosomi.
• Negli eucarioti, il DNA è racchiuso nel nucleo, mentre nei procarioti si trova in una regione chiamata nucleoide non separata dal citosol.
• I procarioti possono contenere plasmidi.
• I procarioti non possiedono organelli, ma presentano invaginazioni della membrana chiamate mesosomi.
• Le cellule eucariotiche hanno dimensioni superiori a 10 micrometri, mentre quelle procariotiche sono inferiori a 5 micrometri.
• Il citoscheletro è assente nelle cellule procariotiche.
• Le cellule eucariotiche si dividono per mitosi, mentre quelle procariotiche per scissione binaria.
• La parete cellulare è presente nelle cellule procariotiche e in quelle eucariotiche vegetali.
• I ribosomi sono liberi nel citosol dei procarioti, mentre negli eucarioti sono sia liberi che legati al reticolo endoplasmatico rugoso.
• Gli organismi eucarioti si riproducono sia sessualmente che asessualmente, mentre i procarioti solo asessualmente.
• Sia le cellule procariotiche che eucariotiche mantengono le loro funzioni vitali tramite reazioni chimiche chiamate metabolismo, che include anabolismo (sintesi) e catabolismo (degradazione).
• Le cellule utilizzano l'energia rilasciata da reazioni esoergoniche per promuovere reazioni endoergoniche.

Autotrofi ed Eterotrofi

• Gli organismi viventi si dividono in autotrofi ed eterotrofi in funzione di come si nutrono.
• Gli organismi autotrofi sono capaci di organicare molecole inorganiche utilizzando energia esterna.
• Gli eterotrofi organizzano molecole organiche ottenute dall'esterno.

Processi Energetici nelle Cellule Eucariotiche

• Autotrofi: fotosintesi e respirazione.
• Eterotrofi: respirazione e fermentazione.

Nutrizione

• Fotoautotrofica: Utilizza la luce come fonte di energia (cianobatteri, alghe, piante).
• Chemioautotrofica: Utilizza composti inorganici (certi procarioti).
• Fotoeterotrofa: Utilizza la luce e composti organici (alcuni procarioti).
• Chemioeterotrofa: Utilizza composti organici (molti procarioti, protisti, funghi, animali, piante parassite).

I Tre Domini

• Eubatteri (Bacteria): Procarioti, forme sferiche, bastoncini, spirali; parete di peptidoglicano, a volte con capsula protettiva, pili per adesione, flagelli per movimento (chemiotassi), membrana, citosol, materiale genetico, ribosomi. Possono essere Gram-negativi o Gram-positivi in base alla parete.
• Archeobatteri (Archea): Procarioti che vivono in ambienti estremi (alofili, termofili, metanogeni).
• Eucarioti (Eukarya): Organismi con cellule eucariotiche, sia unicellulari che pluricellulari (protisti, funghi, piante, animali).

La Cellula Vegetale e i suoi Organuli

• La cellula vegetale si distingue da quella animale per l'assenza di lisosomi, centrioli e flagelli (tranne spermatozoi di alcune alghe).
• Al contrario, la cellula animale non ha parete cellulare, plasmodesmi, plastidi (come i cloroplasti) e vacuolo centrale.

Strutture Cellulari Vegetali:

• Parete Cellulare: Lamella mediana, parete primaria e secondaria (non sempre presente).
• Protoplasto: Parte vivente della cellula: membrana plasmatica, plasmodesmi (connessioni tra cellule adiacenti), citosol.
• Nucleo: Involucro nucleare, nucleoplasma, cromatina(DNA e istoni).
• Organuli a Singola Membrana: Reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, oleosomi (solo vegetale), corpi proteici, perossisomi, gliossisomi (solo vegetale), vacuolo.
• Organuli a Doppia Membrana: Plastidi (cloroplasti), mitocondri.

Caratteristiche e funzioni

• Strutture senza membrana: Citoscheletro, ribosomi.

Carboidrati

• Composti da carbonio, idrogeno e ossigeno; si dividono in monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi.
• Monosaccaridi: unità semplici (pentosi e esosi), con gruppi aldeidici (aldosi) o chetonici (chetosi), esistenti in forme D e L. Ciclizzano in soluzione formando isoforme α e β.
• Disaccaridi: formati da reazioni di condensazione con legame glicosidico.
• Oligosaccaridi: da due a 10 monomeri.
• Polisaccaridi: costituiti da più di 10 monomeri (omopolisaccaridi o eteropolisaccaridi), con funzione di riserva energetica (amido, glicogeno) o strutturale (cellulosa).

Amido e Glicogeno

• AMIDO: Polisaccaride di riserva nelle piante, con amilosio (20%, lineare) e amilopectina (80%, ramificata).
• GLICOGENO: Polisaccaride di riserva negli animali, simile all'amilopectina.
• CELLULOSA: Polimero lineare del glucosio (legami β-1->4), non digeribile dagli umani.

Parete Cellulare

• Componenti principali: cellulosa, emicellulosa, pectina, proteine.
• Tre strati: lamella mediana (pectine, adesione cellulare), parete primaria (fibre di cellulosa ed emicellulosa, elastica per l'accrescimento), parete secondaria (supporto strutturale, lignina).
• Citoscheletro: Microtubuli e filamenti di actina determinano poi la forma della cellula vegetale.

Funzioni della parete cellulare

• Supporto e resistenza meccanica, espansione controllata (pressione di turgore), prevenzione perdita di acqua (cere), produzione di molecole segnale.
• SIMPLASTO: Sistema continuo dei citoplasmi connessi dai plasmodesmi.

Protoplasti

• APOPPLASTO: Sistema continuo delle pareti cellulari.

Citocinesi e Formazione della Parete

• Formazione del fragmoplasto (microtubuli e actina) per dirigere vescicole del Golgi contenenti componenti della parete, che si fondono e rilascianoloro contenuto per la formazione della piastra cellulare.

Pressione Osmotica e Potenziale Osmotico

• Pressione osmotica: Pressione necessaria a fermare diffusione acqua pura verso soluzione (valori positivi). Potenziale osmotico valore assoluto uguale alla pressione osmotica, ma con segno negativo.
• L'acqua si muove secondo il gradiente di potenziale idrico da una cellula con potenziale osmotico superiore a una con potenziale osmotico inferiore.
• ACCRESCIMENTO APICALE: Espansione cellulare concentrata, richiama l'intervento dei microtubuli.
• ACCRESCIMENTO DIFFUSO: Espansione uniforme, dipende dall'orientamento microfibrille.

Crescita Acida

• Abilità delle cellule di allungarsi a pH acido, grazie all'espansina. L'Auxina, pomba protoni (H+) verso la parete cellulare, incrementando l'acidità. C'è una distensione parete cellulare, che incamera H20 espandendosi.

Sistema di Endomembrane

• Membrana plasmatica, reticolo endoplasmatico, nucleo, apparato del Golgi.
• Apparato del Golgi: Indirizza le proteine, sintesi polimeri parete (cellulosa sintasi).
• Fragmoplasto: sintetizzato dal Golgi.

Organelli Delimitati da una Sola Membrana

• Perossisomi: enzimi ossidasi e catalasi.

Nei semi oleosi in germinazione, troviamo :

• Gliossisomi: Trasformano acidi grassi in glucosio.
• Oleosomi e Corpi Proteici: Accumulano rispettivamente oli e proteine.
• Grande Vacuolo Centrale: può occupare il 90% del volume cellulare.

Funzioni del Vacuolo

• Regolazione della pressione di turgore (ruolo osmotico), tampone del pH citoplasmatico, accumulo di sostanze utili/di rifiuto, ruolo litico /detossificante (idrolasi acide).

Eccesso o difetto di soluti nell'ambiente

• Isotonica: concentrazione di soluti = nel vuoto cellulare.
• Ipotonica: concentrazione di soluti> dentro la cellula ( la cellula è turgida)
• Ipertonica: concentrazione soluti cellulare< nel mondo esterno (plasmolisi).

Organelli Delimitati da una Doppia Membrana

• Mitocondri e plastidi (cloroplasto, amiloplasti, cromoplasti, ecc.), provvisti di DNA plastidico e ribosomi. Prova di endosimbiosi, genomi insufficienti a riprodursi autonomamente (semiautonomi).

Plastidi

• Proplastidi, Leucoplasti, Amiloplasti. Cromoplasti, Ezioplasti. Cloroplasti sono localizzati nelle foglie poichè sono dedicati alla fotosintesi. Grazie ai movimenti dei microtubuli del citoscheletro, la distribuzione all'interno della cellula vegetale può essere incrementata o diminuita.

Fotosintesi

• Un processo endoergonico: grazie all'energia solare porta alla formazione di zuccheri.
• Iniziò circa 3 miliardi di anni fa innescando l'evoluzione di molte forme di vita.
• Avviene in due fasi:
• fase luminosa (nei tilacoidi)
• fase oscura (nello stroma).

Fasi

• La fase luminosa produce ATP e NADPH che vengono poi utilizzati nella fase oscura per organicare la CO2 in zuccheri.

Luce ed energia

• Energia luminosa: L' equazione di Plank ci afferma che L'energia di un fotone e' direttamente proporzionale alla frequenza ed inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda. I pigmenti assorbono la luce:
• Clorofille (porfirina per l'assorbimento e fitolo idrofobico) e Carotenoidi (protettivi). Variazioni strutturali portano a diversi spettri di assorbimento.

Fase luminosa e fotosistemi

• I fotosistemi (PSI / PSII) contengono un sistema antenna (pigmenti e proteine LHC) e un centro di reazione (clorofilla a).
• L'energia catturata viene trasferita tramite reazioni fisiche (trasferimento energia per risonanza) fino al centro di reazione.
• Nel centro di reazione avviene:
• Separazione di cariche Clorofilla + accettore ⟶ clorofilla+++ accettore−. E Catene di trasporto degli elettroni (PSI E PSII)

Fasi del processo

L'Ossigeno si libera grazie alla fotolisi dell'acqua (o reazione di Hill), catalizzata del complesso evolvente ossigena. SCHEMA Z: Funzionamento coordinato dei fotosistemi per ossidare l'acqua a NADP+. Si possono poi avere fotofosforilazione ciclica (solo PSI, no NADPH) o non ciclica (entrambi, ATP e NADPH).

Fase oscura

La fase oscura, detta anche ciclo di Calvin, ricava glucosio servendosi dell' ATP e NADP prodotti durante la fase luminosa.

• 1 Carbossilazione (Rubisco lega CO2 a RuBP).
• 2 Riduzione (viene utilizzato ATP e NADPH)
• 3 Rigenerazione ribulosio (e produzione glucosio( ogni 6 cicli si ha la produzione di 2 molecole di GAP)).

Foto respirazione

• La fotorespirazione si attiva quando la rubisco lega O2; il carbonio viene recuperato con consumo di ATP e produzione di CO2.
• Piante C3 utilizzano solo il ciclo di Calvin; piante C4 (ossalacetato) e CAM (metabolismo acido delle crassulacee) sono adattamenti per climi particolari.

Piante C4

• Le piante C4 eseguono questo processo collaborativo nelle cellule del mesofillo e nelle cellule della guaina, che circondano i fasci vascolari nella foglia. Questa speciale disposizione anatomica è conosciuta come anatomia Kranz.

Piante CAM

Le piante CAM, metabolismo acido delle crassulacee utilizzano le vie C3 e C4, ma hanno una separazione sia temporale che spaziale per le due vie metaboliche.

• Di notte: La pianta CAM apre invece gli stomi, consentendo alla CO2 di entrare nella foglia e di essere "fissata" formando acido malico, che viene accumulato nei vacuoli.
• Di giorno: La pianta CAM chiude invece gli stomi riducendo la perdita d’acqua e l’acido malico viene trasformato ottenendo CO2 e uno zucchero a tre atomi di carbonio. La CO2 entra nel ciclo di Calvin.

Riproduzione delle Angiosperme

• Le angiosperme si riproducono sessualmente (con fiori) o asessualmente.

Strutture del fiore

• Sepali: le strutture verdi che proteggono il fiore in fase di sviluppo Petali: Parti colorate che attirano gli impollinatori. STAMI (organi maschili) PISTILLI: organo femminile del fiore, che include lo stigma (parte femminile), stame e pistilli Esistono fiori e piante dioiche, cioe' che presentano il pistillo ed i gameti (su fiori separati)

Produzione di Gameti

• MEGASPOROGENESI (femminile): Formazione di megaspore (ovuli). Le celle madri, al livello dell'ovario, vanno incontro a meiosi fino a formare 4 megaspore (aploidi). 3 di queste 4 degenerano, lasciando spazio solo ad una La nocella si espande ed il nucleo si divide per mitosi formando altre 8 cellule ( a sacco embrionale). Con successive divisioni si formera' l'oosfera

• MICROSPOROGENESI (maschile): La microsporogenesi è la formazione dai grani pollinici immaturi, formati da una singola cellula, che avviene nell'antera. Le cellule sporigene vanno incontro a meiosi fino a formare 4 microspore (aploidi). Si formano cosi i sacchi pollinici.

impollinazione

• L'impollinazione avviene con il trasferimento da stame al pistillo (allo stigma); questo porta con se i gameto maschili. Il polline puo' essere trasferito sia allo stesso fiore che in uno nuovo (fecondazione incrociata)

fecondazione

• Allo stigma, parte la microgametogenesi, ed il il tubetto pollinico raggiunge poi l'ovario e trasporta i gameti maschili verso gli ovuli. Uno dei 2 nuclei spermatici va a fondersi con l'oosfera, formando un nuovo zigote (futura pianta). Si attua una doppia fecondazione (uno con l'oosfera, ed uno con i nuclei polari del sacco embrionale (diventando quindi endosperma). Ci saranno poi lo sviluppo di
• semi (grazie all' ovulo)
• frutto (dovuto i processi del' ovario)

Il seme e' composto: L'involucro del seme ed il cotiledone (poi germinazione e produzione pianta) Avremo poi sia le dicotiledoni sia le monocotiledoni

Tessuti e organi vegetali

TESSUTI MERISTEMATICI: Permettono la crescita , grazie a divisioni e differenziazioni cellulari.

• Possono essere sia apicale ( crescita in lunghezza) sia laterale (cambio, cribro vascolare (crescita in spessore)

TESSUTI FONDAMENTALI (parenchima( fotosintesi), collenchima( supporto elastico), sclerenchima (supporto e protezione) TESSUTI CONNETTIVI (Trasporto, scambio sostanze e supporto meccanico). : comprendono xilema (acqua e sali minerali) e floema (sostanze organiche)

TESSUTI DI RIVESTIMENTO: Proteggono l'esterno del corpo della pianta;

• strato epidermico (con la cuticola)
• peridema (solo in alcune piante, protezione secondaria)

ORGANIZZAZIONE

• Foglia (sede fotosintetica)
• Fusto (che sostiene la pianta)
• Radice (converte sali in acqua)

Il funzionamento degli stomi

Gli stomi aprono/ chiudono in base alla luce/acidita'; si forma un'apertura grazie alla loro struttura ed alla membrana trasversale esterna. L'acqua viene in parte persa, assieme alle anidride carbonica.

Coltura in-vitro (coltura dei tessuti)

• Possiamo avere colture con differenziazioni o senza(calli tumorali); La totipenza e' importante.
• Si necessita molto: macronutrienti,zucchero, vitamine, auxine e citochinine (che promuovono l'attivita' mitotica. L' agrobacterium tumefaciens riesce poi tramite dei plasmidi a trasferire alcuni ormoni essenziali.

Incrocio parsessuale

Consiste nel prelevare cellule private della loro parete cellulare, in coltura depositeranno la propria parete e formeranno aggregati cellulari che possono rigenerano piante fertili .