PDF - Biologia Cellulare della Pianta

BIOLOGIA DELLA CELLULA VEGETALE Lezione introduttiva Le cellule vegetali, a di erenza di quelle animali sono totipotenti e sono in grado di trasfor are E luminosa in E chimica con la fotosintesi. Hooke nel 1600 ha visto al microscopio cellule di sughero, che chiama "cells"....

BIOLOGIA DELLA CELLULA VEGETALE Lezione introduttiva Le cellule vegetali, a di erenza di quelle animali sono totipotenti e sono in grado di trasfor are E luminosa in E chimica con la fotosintesi. Hooke nel 1600 ha visto al microscopio cellule di sughero, che chiama "cells". "Omnis cellula e cellula" cioè tutti i viventi sono formati da cellule e per generare una cellula serve un'altra cellula (Virchow). I virus non sono organismi ma parassiti. In una pianta ci sono solo 3 organi: foglia, fusto, radici. L’embriogenesi e l’organogenesi delle piante avvengono separatamente, al contrario degli animali. Il fatto che questi due processi siano separati dipende dal fatto che l’organogenesi si deve adattare alle condizioni ambientali, siccome le oiante sono immobili, e la pianta allo stadio embrionale ancora non sa quali saranno le condizioni ambientali. 4,5 mld di anni fa la Terra non aveva ossigeno 3,7 mld di anni fa circa compare la vita 3,5 compare l’ossigeno a seguito della comparsa della fotosintesi ossigenica ad opera dei cianobatteri In una prima fase d'atmosfera era costituita in prevalenza da He e H, in una seconda da vapore acqueo e nella terza divenne aerobica. Prima non era presente neanche l’ozono, poiché questo deriva dall’ossigeno, per questo la vita primordiale era acquatica, poiché l’acqua è in grado di assorbire raggi UV, con la comparsa dell’ozono che assorbe UV la vita poté spostarsi anche sulla terra. Come si è originata la vita? 1) Viene, da extra terrestre? Così ipotizza Arrhenius, in e etti ci sono composti organici su alcuni meteoriti. 2) Altra ipotesi è un'evoluzione chimica, cioè le prime molecole organiche si sono formate tram te reazioni avvenute tra atomi di C,O, H, N grazie ai grande energia proveniente da tipo eruzioni vulcaniche ecc per poi concentrarsi in laghi/mari Questa è l’ipotesi di Oparin, venne fatto un esperimento che diede validità a questa ipotesi, che tramite un modello sperimentale di brodo primordiale si riuscirono ad ottenere tutte le classi delle macromolecole organiche della vita. 3) Ipotesi del mondo a RNA propone una prima fase in cui le forme di vita erano basate esclusivamentesull'RNA, poiché questo oltre ad agire da materiale genetico è in grado di catalizzare la formazione di legami peptidici. CELLULE EUCARIOTICHE e PROCARIOTICHE caratteri comuni: Sono delimitate da una membrana plasmatica di fosfolipidi e proteine contengono citoplasma contengono cromosomi (DNA) contengono ribosomi di erenze: negli eucarioti il DNA è contenuto nel nucleo, un organulo delimitato da memb ana, nei procarioti invece il DNA si trova in una regione detta nucloide che però non è separata dal citosol. I procarioti contengono anche plasmidi Nei procarioti non sono presenti organuli ma ci sono invaginazioni della membrana dette MESOSOMI eucariotiche > 10 micrometri, procariotiche < 5 micrometri chitoscheletro assente nelle procariotiche eucariotiche si dividono per mitosi, procariotiche per scissione binaria parete cellulare presente nelle procariotiche, mentre nelle eucariotiche solo in quelle vegetali ribosomi liberi nel citosol nelle procariotiche e sia liberi che legati al reticolo endoplasmatico rugoso nelle e riproduzione sia sessuata che asessuata negli organismi eucarioti solo asessuata nei procarioti La cellula, sia procariotica sia eucariotica, mantiene le sue funzioni vitali grazie a reazioni chimiche che sono complessivamente chiamate metabolismo. Metabolismo = Anabolismo + Catabolismo Anabolismo: è l'insieme delle reazioni biochimiche di sintesi Catabolismo: è l'insieme di reazioni biochimiche di degradazione La cellula utilizza l'energia liberata dalle reazioni esoergoniche per promuovere reazioni endoergoniche. ff ff ff r­ m­ i­  Rispetto alla nutrizione, gli organismi viventi si dividono in: autotro ed eterotro. - Gli organismi AUTOTROFI sono in grado di organicare molecole inorganiche. Le molecole organiche contengono una quantità di energia superiore a quella delle molecole inorganiche da cui derivano e quindi il processo di sintesi di molecole organiche necessita di un apporto esterno di energia Molecole inorganiche + Energia= Molecole organiche. L'energia utilizzata dalla cellula per l'organicazione è di tipo chimico sotto forma di Adenosintrifosfato (ATP) o di composti ridotti ( NADH, NADPH ecc.) - Gli organismi ETEROTROFI non sono in grado di organicare ma solo di organizzare. Con il termine organizzare si intende la capacità dell'organismo di sintetizzare molecole complesse partendo da molecole organiche ottenute dall'esterno. Processi che forniscono energia alla cellula eucariotica: Autotro : fotosintesi e respirazione Eterotro : respirazione e fermentazione Esiste un’ulteriore divisione in: Fotoautotro ca: utilizza come fonte di energia la luce Chemiautotro ca: utilizza come fonte di energia composti inorganici Fotoeterotrofa: utilizza come fonte di energia la luce Chemioeterotrofa: utilizza come fonte di energia composti organici 3 DOMINI Eubatteri (Bacteria, sono procarioti) possono essere di forma - sferica (cocchi) - bastoncino (bacilli) - spirale o elicoidale (spirieli e spirochete) strutture fondamentali - parete: dà protezione sica, costituita da peptidoglicano (polimero di zuccheri e amminoacidi) - capsula: involucro mucoso esterno alla parete che dà ulteriore protezione e permette alle cellule di aderire le une con le altre come avvienenelle colonie batteriche - pili (sempre per aderire tra loro e alle super ci) alcuni sono specializzati es) scambiondi DNA - agelli (locomotori) permettono la chemiotassi ovvero il movimento per dirigersi in zone in cui la concentrati di sostanze utili è alta, grazie a molecole recettoriali - membrana - citosol - materiale genetico - ribosomi In base alla struttura della parete i batteri sono divisi in gran negativi e gram positivi GRAM NEGATIVI → non riescono ad essere colorati dalla colorazione di Gram GRAM POSITIVI → riescono Questo dipende dal tipo di parete: i gram negativi presentano una minor percentuale di peptidoglicano nella parete, che è più complessa, al contrario di quella dei gram positivi che hanno una parete più semplice e ad elevata percentuale di peptidoglicano Archeobatteri (Archea, sono procarioti) Vivono in ambienti dalle condizioni ambientali estreme: Alo li: vivono in ambienti ad altissima concentrazione salina Termo li: elevate temperature Metanogeni: sono anaerobi, vivono quindi in ambienti in cui l'ossigeno è stato consumato da microrg nismi, come ad esempio nell'intestino degli erbivori o nelle paludi. Producono energia dalla riduzione di CO2 a metano. Eucarioti (Eukaria) Le cellule eucariotiche sono presenti in organismi sia unicellulari sia pluricellulari. Gli organismi eucariotici, ossia protisti (unicellulari), funghi (unicellulari o pluricellulari), piante ed animali, fanno tutti parte del dominio degli Eukarya (eucarioti). fl fi fi fi fi fi fi fi fi fi f a­  LA CELLULA VEGETALE Di erenze tra la cellula animale e la cellula vegetale: La cellula vegetale NON contiene: lisosomi, centrioli, agelli (presenti solo negli spermatozoi di alcune alghe) La cellula animale NON contiene: parete cellulare, plasmodesmi, plastidi (tra cui cloroplasti), vacuolo centrale Organuli e strutture della cellula vegetale: Parete cellulare -lamella mediana -parete primaria -parete secondaria (alcune cellula ce l’hanno) Protoplasto: la parte vivente -membrana plasmatica -plasmodesmi (canali che collegano due protoplasti di cellule vicine) -citosol Nucleo -involucro nucleare -nucleoplasma -cromatina (DNA ed istoni) -nucleolo (zona centrale non limitata da membrana) Organuli delimitati da una singola membrana -reticolo endoplasmatico -apparato di Golgi -oleosomi -corpi proteici -perossisomi, gliossisomi -vacuolo Organuli delimitati da una doppia membrana -plastidi (tra cui i cloroplasti) -mitocondri Strutture -citoscheletro -ribosomi CARBOIDRATI Sono composti ternari costituiti da: carbonio, idrogeno e ossigeno. In base alla complessità i carboidrati si dividono in: monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. monosaccaridi Sono i carboidrati più semplici perché non possono essere ulteriormente scissi per idrolisi. Il loro numero di atomi di carbonio può variare da 3 a 8 (più di usi 5 pentosi e 6 esosi), a cui sono legati atomi di H e gruppi OH, possiedono anche o un gruppo aldeidico o uno chetonico, perciò prendono il nome di poliidrossialdeidi (aldosi) e poliidrossichetoni (chetosi). Se è presente uno stereocentro possono esistere due enantiomeri, indicati con le lettere D e L: D (ha il gruppo OH a destra) e L (ha il gruppo OH a sinistra). Se sono presenti più stereocentri si tiene in considerazione il C più lontano dal gruppo aldeidico/chetonico. In soluzione acquosa i monosaccaridi ciclizzano, la conseguenza é la scomparsa del gruppo aldeidico (o chetonico) e la formazione di un nuovo atomo di C asimmetrico (de nito glicosidico) che porta un gruppo OH che si potrà disporre: sotto il piano della molecola, si chiamerà isoforma a al di sopra del piano della molecola, si chiamerà isoforma B disaccaridi I monosaccaridi si uniscono tra di loro tramite reazioni di condensazione, eliminando una molecola di acqua e forma di un legame glucosidico. Il legame glucosidico può essere di diverso tipo in base a quale sia l’isoforma del primo zucchero e quali carboni intervengono nel legame, ad esempio a->(1,4) oligosaccaridi: da due a 10 monomeri polisaccaridi Piú di 10 monosaccaridi, si dividono in: omopolisaccaridi, costituiti dalla stessa unità monosaccaride che si ripete. -eteropolisaccaridi, costituiti da monosaccaridi diversi. I polisaccaridi possono avere due funzioni: 1)riserva energetica (es amido o glicogeno che formano agglomerati cioè granuli di riserva energetica) 2)funzione strutturale (cellulosa) - - - ff   fi fl ff  AMIDO: è il polisaccaride di riserva nelle piante, è costituito da due polisaccaridi: Amilosio: lunghe catene LINEARI di glucosio (20% circa) Amilopectina: catene RAMIFICATE di glucosio (80% circa) GLICOGENO: è il polisaccaride di riserva degli organismi animali, simile all'amilopectina ma é molto più rami cato. CELLULOSA E il composto organico piú abbondante sulla terra ed é un polimero lineare del glucosio con legami glucosidici ß-1->4 senza rami cazioni.Noi umani digeriamo l'amido ma non riusciamo a digerire la cellulosa. Neanche le mucche hanno gli enzimi per degradare la cellulosa, ma possiedono dei batteri che ne sono capaci. PARETE CELLULARE I componenti principali della parete (oltre all’acqua che è la principale) sono: - cellulosa: più catene di cellulosa interagiscono tra di loro per formare le micro brille. Una sola micro brilla puó essere costituita da 30-80 catene di cellulosa, che interagiscono tra loro formanod legami ad idrogeno tra una catena e l’altra - emicellulosa (polisaccaridi) - pectina (polisaccaridi) - proteine (strutturali e non) La parete della cellula vegetale è formata da 3 strati: la lamella mediana, la parete primaria e la parete secondaria. 1) La lamella mediana è lo strato più esterno, ha una struttura gelatinosa ed è composto prevalentemente da pectine (fanno parte dei polisaccaridi) immerse in una matrice. La sua funzione è quella di far aderire le cellule adiacenti. 2) La parete primaria viene depositata tra la lamella mediana e la membrana plasmatica. È composta da una rete di bre di cellulosa ed emicellulosa disposte in maniera disordinata e immerse in una matrice gelatinosa formata da proteine e polisaccaridi. La sua struttura è elastica e permette l'accrescimento della cellula. 3) La parete secondaria, non sempre presente, viene sintetizzata solamente al termine dell'accrescimento della cellula, ed essendo più rigida rispetto alla parete primaria fornisce un maggiore supporto strutturale. Anch'essa è composta da bre di cellulosa, ma in percentuale maggiore rispetto alla parete primaria. Inoltre, possono essere presenti altre sostanze come la lignina che conferiscono particolari proprietà sico-chimiche alla parete cellulare e permettono le specializzazioni secondarie dei diversi tessuti vegetali. La parete della cellula vegetale contiene il protoplasto ma non è responsabile della sua forma, a determinare la forma di una cellula vegetale è il citoscheletro, formato da lamenti intermedi, microtubuli e lamenti di actina. I lamenti di cellulosa della parete e i microtubuli si sovrappongono, é stato dimostrato che la forma dipende dai microtubuli: trattando delle radici con sostanze che depolimerizzano i microtubuli si vede che la forma diventa anomala. Sulla super cie esterna della parete c'è lo strato cuticolare ed esternamente una strato di cere. Funzioni: 1) Supporto e resistenza meccanica: La parete rende le cellule resistenti sia alla trazione che alla contrazione e questo è il motivo per cui esistono alberi di 10 metri che non collassano. La parete è sia rigida che essibile. 2) Controllo dell'espansione: controlla la pressione di turgore insieme al vacuolo. 3) Evita la perdita di acqua: alcune volte la parete può avere dei rivestimenti di cera che servono a diminuire la traspirazione nelle cellule che vivono in ambienti caldi. 4) Produzione di molecole segnale: ad esempio in presenza di un patogeno questo rilascia sostanze che degradano la cellula vegetale e a sua volta la parete secerne delle molecole segnale che attivano meccanismi di difesa. SIMPLASTO: è il sistema continuo dei citoplasmi cellulari collegati dai plasmodesmi: strutture complesse che collegano cellule adiacenti. Il protoplasto non è presente nelle cellule morte. APOPLASTO: è il sistema continuo delle pareti cellulari Le parete cellulari si formano durante la citocinesi. Le varie fasi della mitosi sono uguali alla cellula animale, l’ultima fase però varia perché deve essere costruita una nuova porzione di parete cellulare per le cellule glie. Alla ne della telofase nelle cellule vegetali si forma una struttura detta fragmoplasto, costituita da microtubuli e lamenti di actina. Questi servono a dirigere le vescicole dell'apparato del Golgi, che contengono emicellulosa, pectine e quelle che sono le altre componenti della parete, al livello della zona dove si forma la piastra cellulare, che porterà alla formazione delle parete cellulare nelle due cellule glie. Le vescicole del Golgi si attaccano alle strutture del fragmoplasto, arrivano nella zona della piastra cellulare, si fondono e poi rilasciano il loro contenuto. fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fl fi fi fi  Pressione osmotica e potenziale osmotico La pressione osmotica è la pressione che deve essere applicata ad una soluzione per fermare la di usione dell'acqua pura verso la soluzione stessa. Maggiore è la concentrazione del soluto maggiore è la pressione osmotica. Quest'ultima ha valori positivi. Il potenziale osmotico ha lo stesso valore assoluto della pressione osmotica ma con segno negativo. In una soluzione, per e etto dell’idratazione del soluto, il numero di molecole di H2O libere di passare attraverso una membrana semipermeabile è inferiore rispetto a quello che sarebbe se fosse acqua pura. Il potenziale osmotico della H2O pura (che per convenzione è uguale a 0) è sempre più alto di quello di una soluzione acquosa. L'acqua entra in una cellula secondo il gradiente di potenziale idrico ovvero, l'acqua passerà da una cellula con potenziale osmotico superiore (cioé pressione osmotica minore, ovvero serve meno pressione a impedire che le molecole di acqua entrino in questa soluzione) a quella con potenziale osmotico inferiore. Essendo negativo intendo potenziale alto quello che ha valore assoluto minore, associato ad una minor tendenza ad assorbire acqua, e basso quello dal valore assoluto maggiore, associato ad una maggior tendenza ad assorbire acqua (alta pressione osmotica). Possiamo avere due tipi di accrescimento cellulare nelle cellule vegetali: ACCRESCIMENTO APICALE: l’espansione cellulare si concentra in una regione speci ca della cellula, avviene nelle porzioni della pianta in cui serve la formazione di una struttura allungata, come nei tubi pollinici. Questo tipo di accrescimento è determinato da dei microtubuli, che fungono da binari per direzionare le vescicole dell'apparato del Golgi che portano il materiale per l’accrescimento. ACCRESCIMENTO DIFFUSO: l’espansione avviene in modo uniforme nella cellula Oltre al citoscheletro in entrambi i casi l'espansione cellulare dipende dall'orientamento delle micro brille che indirizzano la pressione di turgore esercitata dal protoplasto: se sono orientate a caso la parete si espanderà in tutte le direzioni, se sono invece orientate parallele tra loro la cellula si allungherà in maniera non uniforme. Dunque possiamo dire che le micro brille di cellulosa agiscono come un’impalcatura che dirige e limita l’espansione cellulare. La crescita acida è l'abilità delle cellule e delle pareti cellulari delle piante di allungarsi o espandersi in presenza di pH basso (acido). Questa forma di crescita non comporta un aumento del numero delle cellule. Durante la crescita acida le cellule si allargano rapidamente a causa della presenza dell'espansina, una proteina dipendente dal pH che rende le pareti cellulari meno rigide. L'espansina scioglie le interconnessioni tra le micro brille di cellulosa presenti nella parete cellulare. L'introduzione di un ormone vegetale, come per esempio l'auxina, fa sì che vengano pompati dei protoni (H+) dall'interno della cellula verso la parete cellulare, rendendola più acida. L'acidità attiva l'espansina e la parete diventa meno rigida. A questo punto la cellula può incamerare acqua al suo interno ed espandersi. Il processo della crescita acida avviene anche in cellule che sono state uccise. Siccome in questo caso non si ha più la pressione di turgore esercitata dal protoplasto sulle pareti delle cellule dell'ipocotile, per osservare l'allungamento occorre applicare una forza. L'esperimento consiste nell'aggiunta ad un segmento sub-apicale dopo congelamento e bollitura (che denatura le proteine presenti) di un omogenato proteico ottenuto da segmenti sub-apicali non trattati. L'allungamento si osserva solo a pH 4,5. Queste proteine sono presenti solamente nella zona di allungamento del germoglio e mancano nelle regioni basali. SISTEMA DI ENDOMEMBRANE fanno parte del sistema di endomembrane: MEMBRANA, (Lisosomi non presenti in vegetale), RETICOLO ENDOPLASMATICO, NUCLEO (Già fatti in animale) APPARATO DEL GOLGI (Già fatto in animale): L’apparato di Golgi è composto da una serie di cisterne e di vescicole. Il suo compito è quello di indirizzare le proteine a vari comparti cellulari (sia della cellula che di altre cellule). Le cellule vegetali, rispetto a quelle animali hanno un apparato di Golgi più complesso: oltre a partecipare allo smistamento delle proteine, contribuisce alla sintesi dei polimeri di parete. Nelle sue cisterne sono presenti gli enzimi coinvolti nella sintesi dei monomeri dei polisaccaridi della parete e degli enzimi che ne permettono la polimerizzazione. Dopo la sintesi di questi precursori di parete il Golgi li trasporta olre la membrana cellulare, no a raggiungere la parete. La sintesi delle micro brille di cellulosa avviene fuori dalla membrana ad opera dell'enzima cellulosa sintasi. Inoltre le cellule vegetali quando si duplicano devono costruire nuove porzioni di parete: il fragmoplasto, sintetizzato a partire da precursori che vengono dal Golgi. fi fi ff fi fi fi ff fi  ORGANELLI DELIMITATI DA UNA SOLA MEMBRANA PEROSSISOMI Sono organuli delimitati da una singola membrana, presenti in tutte le cellule eucariotiche. I perossisomi contengono enzimi della classe ossidasi, e della catalasi. Quelli delle ossidasi sono specializzati nelle reazioni di ossidazione: impiegano l'ossigeno molecolare per rimuovere atomi di idrogeno, ovvero ossidare, speci ci substrati organici in una reazione ossidativa che produce H2O2. Ossidasica RH2 + O2→ R + H2O2 Catalasica 2H2O2 → O2 + 2H2O Le caratteristiche e il ruolo dei perossisomi dipendono dal tessuto di appartenenza: nei semi oleosi in germinazione partecipano alla mobilitazione delle riserve lipidiche, e in questo caso si chiamano GLIOSSISOMI (presenti solo nella cellula vegetale). Sono specializzati nella demolizione degli acidi grassi e nella loro conversioni in glucosio come nutrimento per il germoglio. Interagiscono sicamente con gli oleosomi ed i mitocondri in questo processo chiamato gluconeogenesi o ciclo del gliossilato. Dopo la germinazione i gliossisomi si trasformano in perossisomi. OLEOSOMI e CORPI PROTEICI Gli oli vegetali e le proteine dei semi vengono accumulati in speci che strutture: gli oleosomi e i corpi proteici. Gli oleosomi sono delimitati da un monostrato di fosfolipidi derivante dal reticolo endoplasmatico. I fosfolipidi sono orientati con le teste polari verso l’esterno e le code lipo le verso il lume. Sulla super cie degli oleosomi sono presenti delle proteine dette oleosine, che impediscono la fusione degli oleosomi. I corpi proteici sono vescicole delimitate da una singola membrana GRANDE VACUOLO CENTRALE Struttura tipica della cellula vegetale, può raggiungere il 90 % del volume della cellula, è delimitato da una membrana singola chiamata tonoplasto che contiene il succo vacuolare. Il principale componente del succo vacuolare è l'acqua in cui si trovano molte sostanze che variano, ha un pH debolmente acido (4,5-5). Le cellule meristematiche (cellule indi erenziate che proliferando generano poi i tessuti de nitivi) sono caratterizzate da un citoplasma denso e da numerosi vacuoli di piccole dimensioni. Nel corso del di erenziamento questi vacuoli si accrescono e nelle fasi nali si fondono fra loro generando un grande vacuolo centrale. Il vacuolo spinge i cloroplasti verso la parete, ciò nelle foglie serve per l’assorbimento della luce, nelle radici per l’assorbimento delle sostanza nutritive. Il succo vacuolare è diverso dal citosol, le sue componenti sono regolate da trasportatori che si trovano sul tonplasto. Tra le pompe protoniche molto importanti sono le H+ ATPasi e le H+ PPasi le quali idrolizzano ATP e pirofosfato inorganico PPi per trasportare ioni H+ contro il grandiente, all’interno del vacuolo, è per questo che ha pH leggermente acido. Il vacuolo non sintetizza le molecole che accumula ma le riceve da altri compartimenti del citoplasma, perché non possiede gli enzimi adatti. Funzioni del vacuolo: 1)RUOLO OSMOTICO: (l'osmosi e il passaggio di acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile), il vacuolo regola la pressione di turgore, che è ciò che mantiene la cellula turgida. Inoltre la pressione di turgore costituisce una forza motrice guida nell’accrescimento cellulare. Una cellula può essere immersa in una soluzione isotonica, ipotonica o ipertonica, vediamo cosa succede: -Isotonica: la concentrazione di soluto nel liquido esterno è uguale a quella dentro la cellula, dunque non c'è movimento delle particelle di acqua. -Ipotonica: la concentrazione di soluto è maggiore all’interno, dunque l'acqua entra nella cellula, il vacuolo si gon a ma la parete cellulare si oppone allo scoppio, causando il turgore cellulare. -Ipertonica: la concentrazione è maggiore all’esterno, dunque l'acqua esce dalla cellula, il vacuolo si raggrinzisce e la membrana plasmatica di stacca dalla parete cellulare, causando la cosiddetta plasmolisi. La cellula animale vive meglio in ambiente isotonico, mentre quella cellula vegetale vive meglio in ambiente ipotonico perché la loro tendenza ad assumere acqua è bilanciata dall'elasticità della parete che esercita una contropressione. 2)RUOLO DI TAMPONE DEL PH CITOPLASMATICO: il citoplasma ha un ph neutro mentre il vacuolo circa 4-5. La presenza delle pompe protoniche è importante poiché è legata alla capacità di trasportare selettivamente ioni dal citoplasma al vacuolo, mantenendo neutro il ph del citoplasma. 3)RUOLO DI ACCUMULO DI SOSTANZE UTILI O DI RIFIUTO: all'interno del vacuolo vengono accumulati molti ioni inorganici che possono rimanere sotto forma libera oppure formare dei sali con gli acidi organici accumulati nel vacuolo. Anche molti metaboliti organici di riserva vengono accumulati nel vacuolo tra cui aminoacidi e proteine, zuccheri monosaccaridi e disaccaridi, pigmenti che conferiscono i colori ai ori alla frutta. Può inoltre fungere da stoccaggio per alcune sostanze che se presenti in grande quantità fanno male alla cellula. 4)RUOLO LITICO e DI DETOSSIFICAZIONE: all'interno del vacuolo sono presenti le idrolasi acide, analoghe ai lisosomi delle cellule animali. fi ff fi fi ff fi fi fi fi fi fi  ORGANELLI DELIMITATI DA UNA DOPPIA MEMBRANA MITOCONDRI (Già fatti in animale) PLASTIDI Sono una famiglia di organuli speci ca di piante e alghe, variano per dimensioni, forma, contenuto e funzione. Sono circondati da una doppia membrana, contengono un proprio DNA plastidico, e oltre a questo possiedono un apparato di sintesi proteica di tipo procariotico (ribosomi 60S) distinto da quello plastidico (ribosomi 80S). Queste caratteristiche sono prova del fatto che i plastidi erano cianobatteri (cioè batteri fotosintetici) che sono stati successivamente acquisiti da cellule eucariotiche ancestrali in un processo di endosimbiosi. L’endosimbiosi primaria consiste nell’acquisizione diretta del cianobatterio. In alcune specie però si osservano cloroplasti circondati da una tripla membrana. In questo caso questi organismi potrebbero avere acquisito questi organuli mediante endosimbiosi secondaria, che consiste nella cattura da parte di un organismo eucariotico di alghe eucariotiche unicellulari già contenenti plastidi primari. La gran parte dei geni dell'endosimbionte originale è stata trasferita al genoma nucleare ed i pochi geni rimasti nei genomi plastidico e mitocondriale sono insu cienti per la per la biogenesi dei due organuli. Pertanto cloroplasti e mitocondri non sono i grado di riprodursi autonomamente e vengono de niti semiautonomi. (Curiosità esistono molluschi fotosintetici grazie a un meccanismo di endosimbiosi: ad esempio c'è una lumaca marina che ingloba delle alghe e non ne distrugge i cloroplasti e quindi riesce a fare la fotosintesi) Proplastidi: sono i precursori degli altri plastidi, presenti nelle cellule meristematiche. Leucoplasti: sono plastidi incolori (privi di pigmenti), coinvolti nella sintesi di lipidi Amiloplasti: sono plastidi non pigmentati, contengono granuli di amido e sono comuni negli organi di riserva. In alcuni casi i granuli di amido riempiono quasi completamente lo stroma. Inoltre gli amiloplasti sono importanti poiché nelle cellule della cu a radicale hanno la funzione di orientare la direzione di crescita delle radici verso il centro di gravità terrestre (gravitropismo). Il meccanismo di orientamento si basa sulla sedimentazione degli statoliti (un particolare tipo di amiloplasti sul fondo della cellula. Questo movimento è percepito dal citoscheletro e da altre strutture interne che attivano segnali chimici e ormonali, come l’auxina, dirigendo così la crescita della radice in modo corretto. Cromoplasti: sono responsabili della colorazione di frutti, ori e radici. La loro colorazione giallo-arancione dipende dalla particolare combinazione di caroteni e xanto lle. Hanno una funzione vessillare: ovvero richiamano gli animali che contribuiscono all’impollinazione o disperdono i semi. Ezioplasti: sono plastidi in cui lo sviluppo da proplastidi a cloroplasti si ferma per assenza di luce. Contengono il precursore incolore della cloro lla (protocloro llide) ed hanno una struttura membranosa interna chiamata corpo prolamellare. Il corpo prolamellare è costituito dai lipidi. L'elevata proporzione di lipidi risulta in tubi che si rami cano in una struttura tridimensionale a formare una sorta di lattice semi-cristalino. Gli ezioplasti esposti alla luce convertono la protocloro llide in cloro lla e, a partire dal corpo prolamellare, assemblano uno stabile sistema membranoso interno costituito da tilacoidi. Questo processo viene chiamato fotoconversione. Cloroplasti: i cloroplasti si trovano nelle foglie poiché sono deputati alla fotosintesi. Oltre alla fotosintesi il cloroplasto è la sede di molti ed essenziali processi metabolici. Nel loro stroma (liquido interno) contengono i tilacoidi. Il sistema dei tilacoidi è organizzato in due tipologie distinte: i grana, in cui i tilacoidi sono impilati fro loro e i tilacoidi stromatici (lamelle stromatiche), che interconnettono fra loro i grana. Fotoprotezione: la distribuzione dei cloroplasti all'interno delle cellule vegetali può essere variata in funzione dell'intensità della luce e della necessità di aumentare o diminuire il suo assorbimento. Quando la luce è intensa, i cloroplasti si allineano lungo le pareti cellulari delle cellule riducendo l'assorbimento della luce e limitando il danneggiamento fotossidativo. Ciò avviene grazie ai movimenti dei microtubuli del citoscheletro. FOTOSINTESI La comparsa della fotosintesi anaerobica circa 3 miliardi di anni fa e più tardi quella ossigenica innescò l’evoluzione di un grandissimo numero di forme di vita La fotosintesi è il processo endoergonico che porta alla formazione di zuccheri sfruttando l’energia luminosa, l’anidride carbonica presa dagli stomi, e l’acqua dalle radici. Il prodotto di scarto è l’ossigeno. È una reazione redox in cui l’ossigeno dell’acqua si ossida, mentre il carbonio della CO2 si riduce. fi fi fi fi fi ffi fi fi ffi fi fi  Le reazioni luminose coinvolgono complessi proteici presenti sulle membrane tilacoidali mentre le reazioni del carbonio, che non dipendono dalla luce, utilizzano enzimi in soluzione presenti nello stroma. La pianta fa tanta fotosintesi e nel momento in cui produce più zuccheri del necessario li accumula sotto forma di amido. Dopo la fotosintesi infatti si formano dei granuli di amido nel cloroplasto, in questo caso si chiama amido primario, successivamente la pianta lo trasporta negli amiloplasti dove si chiamerà amido secondario, che è una riserva energetica per la pianta quando ne ha bisogno. La fotosintesi avviene nelle foglie. Trasversalmente una foglia presenta un’epidermide superiore e una inferiore, tra queste due è presente il meso lio, un tessuto che contiene diversi tipi di parenchima, cioè tessuti specializzati in attività metabolica. Il parenchima si divide in parenchima a palizzata e parenchima spugnoso, in quest’ultimo le cellule lasciano spazio per facilitare gli scambi di gas. Sulla faccia inferiore troviamo gli stomi, che prendono l'anidride carbonica ed espellono l'ossigeno. Questi si trovano nella parte inferiore della foglia così non ricevono il sole diretto e non perdono molta acqua per traspirazione. La fotosintesi si divide in due fasi, la fase luminosa e quella oscura. Nella fase luminosa si ha la conversione dell'energia solare in energia chimica: cioè si ha la produzione di ATP e di NADPH. Questi vengono poi utilizzati nella fase oscura per formare gli zuccheri e organicare la CO2. Tutte e due le fasi avvengono di giorno. LA LUCE La luce è un'onda elettromagnetica costituita da campi magnetici ed elettrici perpendicolari tra loro in oscillazione. La luce, essendo un'onda è caratterizzata da: Ampiezza, Frequenza, Lunghezza d'onda (velocità = freq x lunghezza). Oltre alla natura ondulatoria, la luce può anche essere rappresentata come una corrente di particelle: i quanti. Un quanto è chiamato fotone. L'energia di un fotone dipende dalla sua lunghezza d'onda secondo l'equazione: L'energia di un fotone è direttamente proporzionale alla frequenza e inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda. h è la costante di Plank. L'occhio umano percepisce lunghezze d'onda comprese tra 400 e 700 nm (luce visibile). Gli organismi fotosintetici ossigenici utilizzano la luce visibile mentre i fotosintetici anossigenici estendono il loro assorbimento a lunghezze maggiori, no a 800-950 nm. Le lunghezze d'onda attive nella fotosintesi furono individuate nel 1881 dal botanico tedesco Engelmann utilizzando alcune alghe, batteri attratti dall’ossigeno, luce e un prisma ottico: le alghe furono coperte con una sospensione di batteri attratti dall'ossigeno. Quando il vetrino fu illuminato con luce scomposta da un prisma ottico, i batteri si accumularono in corrispondenza della lunghezze d'onda del blu e del rosso. PIGMENTI FOTOSINTETICI Quando la luce incontra la materia, può essere ri essa, trasmessa o assorbita. Le sostanze capaci di assorbire la luce visibile sono dette pigmenti. Tutti gli organismi fotoautotro contengono pigmenti in grado di assorbire la luce. Le 3 classi di pigmenti fotosintetici sono: cloro llle, carotenoidi (divisi in caroteni e xanto lle) e cobiline. La cloro lla a è la più abbondante. La cloro lla è formata da due parti: la por rina che è responsabile dell'assorbimento della luce (una molecola riesce ad assorbire la luce quando ha doppi legami coniugati alternati: gli elettroni dei legami doppi in cui c’è risonanza infatti sono più "liberi" di muoversi lungo la catena di legami coniugati. Quando una molecola di questo tipo viene colpita dalla luce, questi elettroni possono assorbire l'energia dei fotoni, che li eccita a livelli energetici superiori) e dal tolo (C e H) che conferisce l'idrofobicità alla molecola, così che la cloro lla stia ancorata alla membrana tilacoidale lipidica. Al centro della por rina è presente un anello in cui al centro si trova uno ione magnesio, che è circondato da atomi di azoto. Attorno all'anello sono legati i diversi gruppi funzionali, speci ci per le diverse cloro lle. La cloro lla a e la cloro lla b assorbono principalmente nelle regioni del blu e del rosso, e ri ettono quindi il verde. I carotenoidi invece sono costituiti da 40 atomi di carbonio con svariati doppi legami carbonio-carbonio (infatti assorbono luce). Hanno la funzione di coprire spettri di assorbimento della luce non adeguatamente coperti dalle cloro lle (ri ettono nell’arancio-giallo-rosso). Fanno parte del complesso antenna. Uno dei carotenoidi più abbondanti è il beta-carotene (vitamina A). I carotenoidi si dividono in caroteni (solo C e H) e xanto lle (carotenoidi in cui sono presenti anche atomi di O). fl fi fi fi fi fi fi fl fi fi fi fi fl fi fi fi fi fi fi fi fi FASE LUMINOSA 1. Reazioni siche dal sistema antenna al centro di reazione Sulle membrane dei tilacoidi sono presenti i FOTOSISTEMI, che comprendono SISTEMA ANTENNA e CENTRO DI REAZIONE. I fotosistemi sono due: PSI e PSII, e i loro centri di reazione sono rispettivamente il P700 e il P680. Il sistema antenna é costituito da pigmenti fotosintetici (cloro lle e carotenoidi) tenuti insieme ed organizzati da proteine antennali (o dette proteine LHC), che rendono il sistema altamente e cente. Il centro di reazione è il punto dove l’energia luminosa raccolta è trasferita a due molecole di cloro lla a, che si eccitano, e che trasferiranno gli elettroni eccitati all’accettore primario di elettroni), che darà avvio ad una catena di trasporto. Tutte le reazioni che avvengono nell'antenna vengono chiamate reazioni siche, ovvero sono reazioni in cui ho uno scambio di energia tra un pigmento ed un altro: l’elettrone del primo si eccita, compie un salto quantico e successivamente torna al suo stato originario passando l'energia di eccitazione all'altro pigmento vicino secondo un meccanismo di trasferimento di energia per risonanza. Dunque è una reazione sica perché c’è soltanto un passaggio di energia, ma non si ottengono molecole diverse da quelle di partenza. L'energia necessaria per l'eccitazione dei pigmenti fotosintetici diminuisce con l’avvicinarsi al centro di reazione. Questo gradiente assicura che il trasferimento dello stato di eccitazione sia diretto verso il centro di reazione e non viceversa. 2. Separazione di cariche nel centro di reazione Nel centro di reazione le cloro lle a passano gli elettroni eccitati all’accettore primario di elettroni, è qui che avviene la SEPARAZIONE DI CARICHE: ovvero la cloro lla assume carica positiva, mentre l’accettore carica negativa, poiché c’é stato un e ettivo passaggio di elettroni, non solo di energia come nelle precedenti reazione siche: iniziano qui infatti le reazioni chimiche. In seguito alla donazione dell'elettrone alla feo tina il P680 diventa positivo e in questo stato non può più essere eccitato dall'antenna. In questo caso il centro di reazione è chiuso. 3. Catene di trasporto degli elettroni Il PSI e il PSII funzionano simultaneamente e in modo coordinato, anche se spesso vengono rappresentati vicini in realtà sono spazialmente separati: Il fotosistema Il è localizzato prevalentemente nei tilacoidi granali, invece il fotosistema I quasi esclusivamente nei tilacoidi stromatici e nei margini o nelle porzioni terminali dei tilacoidi granali. Entrambi i fotosistemi vengono colpiti dalla luce, e da entrambi parte una catena di trasporto degli elettroni: ~ Quella del P680 passa dal plastochinone (PQa e PQb), dal complesso del citocromo b6/f, e dalla plastocianina. Il PQa dopo avere ricevuto gli elettroni dall’accettore primario, che nel caso del fotosistema I è una molecola detta feo tina, li cede al PQb, una molecola mobile, che contemporaneamente raccoglie due protoni dallo stroma riducendosi così a plastochinolo PQH2. Il plastochinolo può, ora, trasferire due elettroni e due protoni al complesso del citocromo b6/f, riossidandosi così a PQb. Quando un PQH2 è riossidato a PQ dal complesso del citocromo b6/f, due protoni sono rilasciati nel lume tilacoidale. Dalla plastocianina gli elettroni arrivano al fotosistema I, dove colmano la lacuna elettronica che si era generata poiché anche dal PSI era partita una catena di trasporto. Il fotosistema II invece colma la sua lacuna elettronica grazie alla FOTOLISI DELL’ACQUA (o reazione di Hill): questa reazione è catalizzata da un complesso di proteine e ioni manganese, chiamato complesso evolvente ossigeno. La reazione consiste nell’ossidazione di due molecole d’acqua ogni quattro fotoni assorbiti, con la liberazione di quattro elettroni, quattro protoni e ossigeno molecolare. ~ La catena di trasporto che parte dal PSI invece ha come recettore primario una molecola speciale di cloro lla, gli elettroni sono poi trasferiti "in discesa", cioè con reazioni spontanee, attraverso una catena di trasportatori che comprende un llochinone (A1) e le ferro-zolfo proteine, tra cui la ferredossina. Gli elettroni sono poi trasferiti dalla ferredossina al NADP+, questo trasferimento è catalizzato dalla ferredossina-NADP riduttasi (FNR). Ciò provoca la riduzione del NADP+ a NADPH. Gli elettroni persi per la riduzione del NADPH sono compensati da quelli giunti dal fotosistema II. fi fi fi ffi fi fi ff fi fi fi fi fi fi fi In presenza di luce si realizza, così, un usso continuo di elettroni dall'acqua al NADP+, secondo il cosiddetto schema Z o schema di Bendall-Hill. Questi due scienziati hanno scoperto che per ridurre il NADP+ e per acidi care il lume serve il lavoro di entrambi i fotosistemi, perché il Fotosistema Il è un forte ossidante che riesce a strappare gli elettroni dall'acqua, ma è un riducente debole, per questo si accoppia al Fotosistema I che invece è un ossidante debole ma un riducente forte che riesce a ridurre il NADP+ in NADPH: una riduzione del NADP+ diretta a partire dall’acqua non sarebbe possibile, è per questo che si è sviluppato questo sistema. 4. Fotofosforilazione L’ossidazione dell’acqua e il citocromo b6/f rilasciano protoni nel lume tilacoidale, generando così un gradiente elettrochimico di protoni che guida la sintesi di ATP. I complessi dell'ATPsintasi sono inclusi nella membrana tilacoidale, e forniscono un canale attraverso il quale i protoni possono uire secondo gradiente, per ritornare nello stroma. Questo processo è analogo alla sintesi di ATP che avviene nel mitocondrio, ma qui è chiamata fotofosforilazione per sottolineare che la luce fornisce l'energia utilizzata per realizzare il gradiente protonico. Se vengono utilizzati entrambi i fotosistemi avremo la fotofosforilazione non ciclica, ma può anche essere utilizzato soltanto il fotosistema I, in questo caso avremo una fotofosforilazione ciclica e un processo che globalmente produrrà solo ATP e nessun NADPH, poiché non essendo coinvolto il fotosistema II non ci sarà la fotolisi dell’acqua che è quella che fornisce gli elettroni per la riduzione del NADP+. CICLO DI CALVIN La fase oscura, della anche ciclo di Calvin, avviene nel lume dei tilacoidi, e non ha bisogno della luce. Porta alla formazione di glucosio utilizzando l’energia (ATP E NADPH) prodotta durante la fase luminosa. Viene quindi organicata la CO2 in glucosio, che sarà il nutrimento della cellula, la molecola di glucosio contiene più energia nei suoi legami rispetto alla CO2, è per questo che serve energia per produrla. È un ciclo poiché alla ne di ogni giro del ciclo si ha la rigenerazione del composto di partenza: uno zucchero a cinque atomi di carbonio con due gruppi fosfato: ribulosio 1,5-bisfosfato (RuBP). Il ciclo di Calvin è diviso in 3 fasi: 1. Carbossilazione La CO2 entra nel ciclo e viene legata al RuBP. Il composto che si forma, a 6 atomi di carbonio, è un intermedio instabile che viene immediatamente scisso per formare due molecole a 3 atomi di carbonio dette 3-fosfoglicerato (PGA). La RuBP carbossilasi/ossigenasi, spesso chiamata Rubisco in breve, è l'enzima che catalizza questa reazione. La Rubisco è l'enzima più abbondante sulla Terra. Il termine carbossilasi/ossigenasi indica che questo enzima non ha una funzione univoca: infatti, può legare al substrato sia la CO2, sia l'ossigeno. La sua maggiore a nità per il CO2 garantisce che, tra le due reazioni, sia favorita quella che fa partire il ciclo di Calvin. Perché la rubisco si comporti come una ossigenasi, infatti, occorre che ci sia una grande quantità di O2 rispetto alla CO2: in tale situazione il ribulosio lega l’O2, mentre il CO2 viene liberato. Come conseguenza l'e cienza della fotosintesi diminuisce e il processo è chiamato fotorespirazione, questo è un ciclo in cui sono coinvolti 3 organuli: cloroplasto, perossisima e mitocondrio, si chiama respirazione perché in una delle tappe è liberata CO2. Nelle zone con clima caldo e secco, gli stomi delle foglie sono spesso chiusi per non far perdere acqua alla pianta, ma così facendo l'ossigeno prodotto dalla fotosintesi non può uscire. In questi casi la rubisco si comporta come un'ossigenasi, innescando la fotorespirazione. 2. Riduzione Ogni molecola di 3-fosfoglicerato PGA lega un gruppo fosfato proveniente dalla scissione dell'ATP trasformandosi in 1,3-bisfosfoglicerato. Quest'ultimo, utilizzando l'energia che deriva dall'ossidazione del NADPH viene poi ridotto a gliceraldeide 3-fosfato (GAP). Il NADP+, ormai ossidato, ritorna quindi nella catena di trasporto degli elettroni della fase luminosa, pronto ad essere nuovamente ridotto. 3. Rigenerazione ribulosio e produzione glucosio Il ribulosio deve essere rigenerato per poter iniziare un nuovo ciclo. Ogni 6 cicli si generano 12 molecole di GAP. Di queste 12 molecole, 2 vengono utilizzate per produrre 1 molecola di glucosio, mentre le altre 10 vengono riciclate rigenerando ribulosio. Dunque per ottenere 1 glucosio servono 6 cicli, cioé 6 molecole di CO2. fl fi ffi fl ffi fi  FOTORESPIRAZIONE Vediamo un attimo più in dettaglio cos’è la fororespirazione, che abbiamo detto che è quel processo che si attiva quando la rubisco lega l’O2 al posto della CO2. Con i 5 atomi di C del ribulosio (senza il sesto dato dalla CO2) si vanno a formare una molecola di 3-fosfoglicerato (3C) e una di fosfoglicolato (2C). Durante la fotorespirazione deve essere recuperato il carbonio dal fosfoglicolato, che non è un metabolita utile, anzi è tossico per la cellula. La via di recupero è lunga e coinvolge il cloroplasto, il perossisoma e il mitocondrio, comprende la conversione di due molecole di fosfoglicolato in una molecola dell'aminoacido serina (3C) e in una molecola di CO2. La serina è successivamente convertita in 3- fosfoglicerato che entra nel ciclo di Calvin. PIANTE C3 Le piante in cui avviene il ciclo di Calvin nel modo sopra descritto, con la ssazione della CO2 in gliceraldeide 3-fosfato, molecola con 3 carboni, sono dette piante C3. PIANTE C4 Il ciclo di Calvin non è la sola via metabolica utilizzata per le reazioni di ssazione del carbonio. In alcune piante il primo prodotto della ssazione della CO2 non è il 3-fosfoglicerato, ma una molecola a 4C: l'ossalacetato. Le piante che utilizzano questa via metabolica insieme al ciclo di Calvin sono dette piante C4, per distinguerle dalle piante C3, che utilizzano solo il ciclo di Calvin. L'ossalacetato si forma quando la CO2 reagisce con il fosfoenolpiruvato (PEP), in una reazione catalizzata dall'enzima PEP carbossilasi, che si trova nel citosol delle cellule del meso llo delle piante C4. L'ossalacetato è successivamente ridotto a malato oppure convertito nell'aminoacido aspartato. Nella tappa successiva il malato o l'aspartato (a seconda della specie) migra dalle cellule del meso llo alle cellule della guaina del fascio, che circonda i fasci vascolari della foglia, qui il malato o l'aspartato viene decarbossilato per produrre CO2 e piruvato. La CO2 entra quindi nel ciclo di Calvin, mentre il piruvato ritorna alle cellule del meso llo, dove reagisce con ATP per rigenerare il PEP. La via C4 e il ciclo di Calvin avvengono in due tipi diversi di cellule (Calvin nella guaina e C4 nel meso lo) Le foglie di piante C4 sono caratterizzate da una disposizione ordinata delle cellule del meso llo intorno a uno strato di grandi cellule della guaina del fascio, in modo da formare due strati concentrici di cellule intorno al fascio vascolare, poiché nella via del C4 c’è una stretta collaborazione tra cellule del meso lo e cellula della guaina. Questa disposizione a forma di corona è detta anatomia Kranz. La ssazione di CO2 nelle piante C4 ha un costo energetico più alto che nelle piante C3. Ci si potrebbe chiedere perché le piante C4 abbiano evoluto una via metabolica così energeticamente dispendiosa. La fotorespirazione viene limitata da alti livelli di concentrazione di CO2 e bassi livelli di O2. Di conseguenzale piante C4 presentano un netto vantaggio sulle piante C3, in quanto la CO2 viene "pompata" dalle cellule del meso llo a quelle della guaina del fascio mantenendo alto il rapporto CO2/O2 nelle cellule dove è presente la Rubisco. Questo favorisce la carbossilazione del RuBP. Per la loro maggiore e cienza nell'utilizzazione della CO2, le piante C4 possono avere la stessa velocità di fotosintesi delle piante C3, ma con una minore apertura degli stomi e quindi con una perdita di acqua molto minori, per questo motivo si sono adattate bene ad alte temperature e a scarsa disponibilità idrica, come ai tropici. PIANTE CAM Un'altra strategia per la ssazione della CO2 si è evoluta in molte piante succulente, questo processo è chiamato metabolismo acido delle crassulacee (CAM). Le piante che utilizzano questa via sono dette piante CAM. Le piante CAM utilizzano sia la via C3 che quella C4, tuttavia, al posto di esserci una separazione spaziale delle due vie metabolice, vi è una separazione temporale: NOTTE: l'amido del cloroplasto viene demolito no a fosfoenolpiruvato (PEP). L'anidride carbonica, che entra dagli stomi che di notte sono aperti, reagisce con il PEP per formare ossalacetato che, successivamente, è ridotto a malato. Questo viene pompato nel vacuolo dove è conservato sotto forma di acido malico. GIORNO: di giorno l'acido malico viene recuperato dal vacuolo e decarbossilato, formando CO2 e piruvato. La CO2 entra nel ciclo di Calvin. Gran parte del piruvato può essere trasformata in saccarosio e amido con una glicolisi inversa. La chiusura degli stomi di giorno evita la perdita di acqua e di CO2, queste piante infatti si sono adattate ad ambienti aridi. Crescono però meno delle piante normali perché hanno una limitazione: lo spazio all'interno del vacuolo, ovvero possono accumulare solo un quantità massima di malato, e ciò rallenta il ciclo. fi fi fi fi fi ffi fi fi fi fi fi fi fi fi  RIPRODUZIONE DELLE ANGIOSPERME Le piante possono riprodursi sia sessualmente che asessualmente. La riproduzione sessuata implica la fusione di cellule sessuali, ovvero il polline (maschile) e l'ovulo (femminile), mentre la riproduzione asessuale avviene senza la fusione di gameti, generando individui geneticamente identici alla pianta madre. Le angiosperme, comunemente chiamate piante da ore, sono il gruppo di piante più numeroso nel regno vegetale. La loro caratteristica distintiva è la presenza dei ori, che sono organi riproduttivi specializzati nella riproduzione sessuata. La riproduzione nelle angiosperme segue un processo complesso che coinvolge la formazione di gameti, l'impollinazione, la fertilizzazione e lo sviluppo dei semi e dei frutti. FIORE Il ore è l'organo riproduttivo delle angiosperme, e si compone di diverse strutture: Sepali: le strutture verdi che proteggono il ore in fase di sviluppo. Petali: Parti colorate che attirano gli impollinatori. STAMI: Gli organi maschili del ore, che producono il polline. Ogni stame è composto da un lamento (un gambo sottile) e una antera (la parte superiore, che contiene i granuli di polline, che contengono i gameti maschili) PISTILLO: L'organo femminile del ore, che include lo stigma (la parte che riceve il polline), lo stilo (un tubo che collega lo stigma all'ovario) e l'ovario (la parte che contiene gli ovuli, i gameti femminili). Esistono piante in cui il ore è ermafrodita, ovvero contiene sia la parte riproduttiva maschile (stami) che quella femminile (pistillo). Altre piante invece sono dioiche, cioè presentano entrambi i gameti ma su ori separati, mentre altre ancora sono monoiche, cioè tutta la pianta contiene o solo stami o solo pistilli. PRODUZIONE DEI GAMETI: MEGASPOROGENESI e MEGAGAMETOGENESI (gameti FEMMINILI) La megasporogenesi è la formazione di megaspore nella nucella dell'ovulo. La megagametogenesi è lo sviluppo della megaspora in un megagameto to (sacco embrionale). L'ovulo si trova nell’ovario del ore ed ha una struttura complessa: il funicolo sostiene la nucella che è avvolta in uno o due tegumenti, all’estremità è presente un’apertura: il micropilo. - Si sviluppa nella nocella un singolo megasporocito. - Questo megasporocito diploide va incontro a meiosi e forma quattro megaspore aploidi. Con ciò la megasporogenesi è conclusa. - Successivamente 3 delle quattro megaspore degenerano, mentre quella più lontana dal micropilo si sviluppa nel megagameto to femminile. L'unica megaspora funzionale inizia a ingrandirsi con l'espansione della nocella e il suo nucleo si divide per mitosi. (Si divide solo il nucleo, non tutta la cellula, sarà una cellula polinucleata sinciziale) - Dopo 3 divisioni mitotiche gli otto nuclei sono disposti in due gruppi di quattro, uno in prossimità del micropilo del megagameto to e l'altro all'estremità opposta. Un nucleo proveniente da ciascun gruppo migra verso il centro di questa cellula ottonucleata questi due nuclei sono detti nuclei polari. I nuclei vicino al micropilo danno origine all’oosfera. - Attorno ai nuclei non polari si forma una parete, diventano dunque cellule. Questa struttura, formata da sette cellule e otto nuclei, rappresenta il megagameto to maturo o sacco embrionale. MICROSPOROGENESI e MICROGAMETOGENESI (gameti MASCHILI) La microsporogenesi è la formazione granuli pollinici immaturi formati da una singola cellula, avviene nell’antera. - Si distinguono nell'antera quattro colonne di cellule fertili, o sporigene. Ogni colonna è circondata da vari strati di cellule che formano la parete della sacca pollinica. Lo strato più esterno della parete innescherà l'apertura dell'antera, mentre lo strato più interno formerà il tappeto. Il tappeto aggiungerà un rivestimento ricco di lipidi allo strato super ciale dei granuli di polline. - Le cellule sporigene si trasformano in microsporociti (2n) (cellule madri del polline), che si dividono per meiosi producendo 4 microspore aploidi. - Ciascuno di questi da origine ad un granello di polline. - Ciascun granello di polline può dare origine a un gamete maschile (spermatozoo, microgameto to maturo) durante il processo di mitosi nel sacco pollineo (microgametogenesi) fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi - La MICROGAMETOGNESI nelle angiosperme inizia con la microspora che si divide per mitosi, con la formazione di due cellule all'interno della parete cellulare originaria: una grande cellula vegetativa (o cellula del tubetto pollinico) e una cellula generativa più piccola. - La cellula generativa si divide di nuovo prima della liberazione del polline, dando origine a due gameti maschili, (detti nuclei spermatici) di conseguenza il microgameto to maturo presenta 3 nuclei: 2 spermatici e uno vegetativo. Impollinazione: l'impollinazione avviene quando i granuli di polline, gameti maschili ancora immaturi, vengono trasferiti dallo stame al pistillo, in particolare allo stigma. Il polline proveniente da un può essere trasferito al pistillo di un altro ore (impollinazione incrociata) o dello stesso ore (impollinazione autogama) Fertilizzazione: dopo che il polline raggiunge lo stigma inizia la microgametogenesi, si forma quindi un tubo pollinico che cresce lungo lo stile per raggiungere l'ovario. Il tubo pollinico trasporta i gameti maschili verso gli ovuli. Una volta che il tubo pollinico entra nell'ovulo, una delle cellule spermatiche si fonde con l’oosfera. Il risultato di questa fusione è la formazione di una zigote, che è l'embrione della futura pianta. In alcune angiosperme si veri ca un fenomeno noto come DOPPIA FECONDAZIONE: il secondo nucleo spermatico del microgameto to si fonde con i nuclei polari del sacco embrionale, formando così l’endosperma: una riserva di nutrimenti che sostiene lo sviluppo dell'embrione. La fertilizzazione segna il passaggio dalla fase di oritura alla formazione dei semi e del frutto. In seguito alla fecondazione, l'ovulo si sviluppa in un seme, mentre l'ovario si trasforma in un frutto che avvolge e protegge il seme. Sviluppo dei semi e del frutto Ogni seme è composto da: Embrione: la futura pianta. Sostanze nutritive: spesso conservate all’interno di foglioline embrionali chiamate cotiledoni. Tegumento: la parte esterna che protegge il seme. Le monocotiledoni sono piante che hanno un solo cotiledone nel seme (es mais). Le dicotiledoni sono piante che hanno due cotiledoni nel seme (es fagiolo). Dispersione dei semi La dispersione dei semi permette di evitare la competizione tra la pianta madre e la nuova generazione di piante. Esistono vari meccanismi di dispersione dei semi: possono essere trasportati da animali, dal vento, dall’acqua, oppure frutti che si aprono lanciando i semi. Germinazione Una volta che i semi vengono dispersi, devono trovarsi in condizioni ambientali favorevoli per germinare. Il seme assorbe acqua, si espande e la radice embrionale inizia a crescere verso il basso, mentre la piantina inizia a spingere verso l'alto. fi fi fi fi fi fi  TESSUTI e ORGANI VEGETALI TESSUTI MERISTEMATICI: mantengono la capacità divisione cellulare e di erenziamento per tutta la vita della pianta, permettendone la crescita. Meristema apicale: Si trova nelle estremità del fusto e delle radici, è responsabile della crescita in lunghezza. Meristema laterale: Si trova nel fusto e nelle radici, e contribuisce alla crescita in spessore. Ne è un esempio il cambio cribro-vascolare: è un meristema secondario del fusto e delle radici delle piante gimnosperme e angiosperme legnose. Si de nisce meristema secondario in quanto le cellule parenchimatiche vanno incontro a de-di erenziazione andando a formare un cilindro di cellule meristematiche. Produce due tessuti: legno (xilema) verso l'interno e oema verso l'esterno. A partire dal meristema si originano tutti i tessuti, che sono divisi in tre sistemi: TESSUTI FONDAMENTALI Questi tessuti costituiscono la maggior parte della pianta e sono coinvolti in funzioni come il supporto, la fotosintesi e l'accumulo di riserve. Parenchima: è il tessuto vegetale più di uso che svolgono varie funzioni metaboliche, come la fotosintesi. Collenchima: fornisce supporto alle strutture in crescita grazie alla sua elasticità. È costituito da cellule strette e allungate, con spesse pareti primarie (non ligni cate). Sclerenchima: tessuto di supporto formato da cellule morte al momento della maturità, dotate di pareti cellulari spesse e ligni cate. Si trova principalmente in parti della pianta che non crescono più, come i legni e i semi. TESSUTI VASCOLARI Xilema: trasporta acqua e sali minerali dalle radici verso le foglie e le altre parti della pianta. È composto da cellule specializzate tracheidi e trachee, disposte una sull'altra a formare i vasi. Hanno pareti spesse ligni cate, e perdono il citoplasma a maturità, cioè funzionano quando sono elementi morti. Floema: trasporta i prodotti della fotosintesi dalle foglie a tutte le altre parti della pianta. É costituito da cellule dette elementi dei tubi cribrosi, che sono disposte una sull'altra a formare i tubi cribrosi. Queste cellule sono vive quando i tubi sono attivi. TESSUTI DI RIVESTIMENTO Questi tessuti rivestono la super cie della pianta, proteggendola da agenti esterni e regolando gli scambi gassosi e la perdita d'acqua. Epidermide: è il rivestimento protettivo esterno. Le cellule epidermiche sono generalmente trasparenti e permettono il passaggio di luce nelle foglie per la fotosintesi. Nelle foglie, l'epidermide è spesso ricoperta da una sostanza cerosa chiamata cuticola, che riduce la perdita di acqua Peridermide: Si forma quando la pianta cresce in larghezza (accrescimento secondario), sostituendo l'epidermide nelle piante legnose e nelle piante che crescono per strato. Gli ORGANI delle piante sono organizzati a formare due apparati: il sistema aereo e il sistema radicale. Gi organi sono 3: Le foglie sono la sede della fotosintesi. Il fusto sostiene le foglie per esporle alla luce ed è il canale attraverso cui sono trasportate le sostanze. Le radici ancorano la pianta al terreno e assorbono dal terreno acqua e sali minerali, immagazzinano sostanze di riserva. Distribuzione dei tessuti negli organi delle dicotiledoni: L'epidermide forma lo strato più esterno in tutti e tre gli organi della pianta. FOGLIA: il tessuto fondamentale è rappresentato dal meso llo, specializzato nella fotosintesi (parenchima a palizzata e parenchima spugnoso). I fasci vascolari (xilema e oema) sono inglobati nel meso llo. Sulla super cie le foglie presentano gli STOMI, che sono formati da cellule epidermiche specializzate. fi fi fi fl fi ff fi fi fi ff ff fl fi  Funzionamento degli stomi: Uno stoma è circondato da 2 cellule di guardia che aprono lo stoma quando sono turgide e lo chiudono quando sono accide. La luce blu attiva la H+ATPasi di tipo P che favorisce l'uscita di protoni. L'uscita di protoni causa un’acidi cazione della parete cellulare che provoca l'apertura di canali d'in usso del K+. Per compensare le cariche rientrano anche gli anioni Cl-. L'ingresso di K+ e Cl- richiama H2O causando il turgore delle cellule di guardia e la loro apertura. Oltre all'azione della H+ATPasi e degli ioni, si ritiene che l'apertura degli stomi dipenda anche dalle micro brille di cellulosa che si trovano disposte in cinture intorno alla circonferenza delle cellule di guardia. FUSTO: il tessuto fondamentale è rappresentato dalla corteccia e dal midollo. Il sistema vascolare può formare un sistema di fasci interconnessi compresi nel tessuto fondamentale. Il midollo è localizzato dentro il cilindro del tessuto vascolare mentre la corteccia si colloca tra fra l'epidermide e il cilindro vascolare. L'accrescimento secondario implica la presenza di due meristemi secondari (o laterali): il cambio cribro-vascolare (già visto) e quello subero-fellodermico (o cambio del sughero). Durante l'accrescimento secondario mentre aumenta il diametro di fusto e radici l'epidermide cresce e si lacera. Insieme a questo processo, si ha la formazione del cambio del sughero, che produce sughero che rimpiazza l'epidermide come strato protettivo dei fusti legnosi e delle radici. A questo punto la corteccia comprende: il oema, il cambio del sughero e il sughero. RADICE: Il tessuto vascolare forma un cilindro (cilindro vascolare) circondato da una corteccia che rappresenta il tessuto fondamentale. Il cilindro centrale della radice è formato dai tessuti vascolari xilema e oema, circondati da uno o più strati di cellule: il periciclo, dal quale nascono le rami cazioni delle radice (radici secondarie). Tra il tessuto fondamentale e quello vascolare si trova l’endodermide: strato specializzato della corteccia della radice. E' formato da un cilindro di cellule che si di erenziano con la deposizione di una banda di suberina, detta banda di Caspary. La suberina forma un inspessimento impermeabile lungo tutto il perimetro dell'endodermide che obbliga l'acqua a entrare nel cilindro centrale per via simplastica: ovvero l’acqua è obbligata a passare attraverso le cellule, non può passare attraverso gli spazi intercellulari (via apoplastica). In questo modo, l'acqua assorbita, viene "setacciata" dalle membrane per eliminare eventuali elementi nocivi. Nelle radici l'epidermide manca della cuticola per permettere l'assorbimento dell'acqua. Sono presenti anche peli radicali che sono estensioni delle cellule epidermiche che aumentano la super cie di assorbimento. fi fi ff fl fl fl fi fl fi COLTURA IN VITRO La coltura in vitro di espianti vegetali è la rigenerazione di organismi fertili a partire da cellule di erenziate sfruttando due peculiarità dei vegetali: “plasticità” e “totipotenza”. Queste caratteristiche sono tipiche delle piante che hanno sviluppato una capacità di adattamento a condizioni sfavorevoli maggiore di quella degli animali. La plasticità permette ai vegetali di alterare il metabolismo, la crescita e lo sviluppo in relazione alle condizioni ambientali. La totipotenza è il mantenimento da parte delle cellule somatiche di erenziate (non solo di quelle staminali meristematiche) della capacità, se opportunamente stimolate, di riattivare la divisione cellulare e de-di erenziarsi. La composizione del terreno di coltura è uno dei principali fattori che controllano la crescita e lo sviluppo degli espianti vegetali coltivati in vitro. Le richieste nutrizionali minerali degli espianti sono simili a quelle delle piante ma necessitano di uno zucchero quale fonte di carbonio organico poiché in coltura non avviene la fotosintesi. Oltre allo zucchero nel terreno di coltura sono presenti: Macronutrienti: (azoto, potassio, fosforo, calcio, magnesio e zolfo) Micronutrienti: (ferro, manganese, zinco, boro, rame, molibdeno, cobalto e iodio) Vitamine Agenti solidi canti o geli canti: agar e togel Ormoni vegetali: auxine e citochinine. Una miscela dei tormoni auxina e citochinina stimola la ripresa della attività mitotica. A seconda del rapporto tra i due tormoni si può osservare: - una proliferazione disorganizzata che da origine ad una massa cellulare chiamata callo - la formazione di radici qualora si abbia una prevalenza di auxina - la formazione del germoglio aereo se si aumenta la citochinina. AGROBACTERIUM TUMEFACIENS L’Agrobacterium tumefaciens è un batterio in grado di infettare le piante causando una patologia: la galla del colletto, ovvero la crescita di una massa tumorale detta callo. I batteri del genere Agrobacterium sono Gram-negativi che risiedono nel suolo. Il genere Agrobacterium comprende le specie A. tumefaciens e A. rhizogenes: A. tumefaciens induce la formazione di una massa di cellule indi erenziate (callo), A. rhizogenes induce la sindrome "hairy roots" caratterizzata dalla proliferazione incontrollata di radici sottili e lamentose. Ciò che causa la malattia è la presenza di plasmidi: Ti (tumor-inducing) nel caso di tumefaciens, e Ri (root-inducing) nel caso di rhizogenes. Il plasmide Ti contiene una porzionedetta T-DNA, che codi ca per alcuni ormoni vegetali, come l'auxina e la citochinina, oltre che per le opine. Inoltre il plasmide contiene tutti i geni necessari a trasferirlo nella cellula vegetale. Generalmente l’attacco avviene a livello delle radici, attraverso delle lesioni preesistenti, successivamente avviene il trasferimento di materiale genetico dalle cellule batteriche a quelle vegetali. Il processo di trasferimento del T-DNA all'interno della cellula vegetale è diviso in due fasi: - la prima consiste nel taglio del T-DNA stesso dal plasmide Ti. Questo evento è catalizzato dai prodotti genici del complesso Vir. - la seconda fase consiste nel trasporto del T-DNA all'interno del nucleo della cellula vegetale: questo processo richiede ancora la presenza di proteine codi cate dai geni della regione Vir, che si legano al DNA e vengono riconosciuti dalla proteina importina all'interno della cellula vegetale stessa. Questa conduce il T-DNA all'interno del nucleo, dove altre proteine permetto l'integrazione nel genoma della cellula. A questo punto il T-DNA viene trascritto e tradotto, dando origine alla patologia vera e propria. Frammenti di callo possono essere espiantati e coltivate in vitro dove crescono anche in assenza di ormoni aggiunti. Anche la rimozione del batterio dalla massa callosa non ne ferma la crescita anche in assenza di ormoni aggiunti. Ciò esclude che siano i batteri a produrre gli ormoni: infatti c’è proprio un trasferimento di materiale genetico alle cellule stesse della pianta. Inoltre si osservò che i calli sintetizzano nuovi composti normalmente non prodotti dalle cellule della pianta: le opine (sintetizzate a partire dagli amminoacidi). fi fi fi fi fi fi fi fi ff ff ff ff  INCROCIO PARSESSUALE I protoplasti sono cellule private della parete cellulare (digerita da enzimi). Messi in coltura i protoplasti depositano la parete cellulare e riprendono l'attività mitotica formando aggregati cellulari che possono rigenerare piante fertili per organogenesi o embriogenesi. Nell'incrocio parsessuale vengono fusi due protoplasti derivanti da specie di erenti, il prodotto di fusione contiene tutti i genomi dei due protoplasti, sia nucleari sia citoplasmici. I metodi di fusione attualmente usati sono due: chimico o per elettrofusione. Non ci sono limiti sici alla fusione delle membrane plasmatiche: può avvenire anche tra specie con elevata distanza logenetica. Tuttavia, il successo nale consiste nella possibilità di rigenerare piante fertili. Ciò dipende dalla coordinata espressione dei corredi genetici delle due specie parentali. fi fi ff fi