Michele Rismondo
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Insegnamento di
STRUTTURA E FUNZIONI
DEGLI ORGANISMI VEGETALI
Lezione 01: GLI ORGANISMI VIVENTI
CORSO DI LAUREA IN SCIENZE E TECNOLOGIE ALIMENTARI
Insegnamento: STRUTTURA E FUNZIONE DEGLI ORGANISMI ANIMALI E VEGETALI
Modulo: STRUTTURA E FUNZIONE DEGLI ORGANISMI VEGETALI
Programma:
UNITÀ DIDATTICA 1: PARTE GENERALE
ARGOMENTO 01 - Organismi viventi: La vita sulla Terra: evoluzione e adattamento del mondo vivente (organizzazione macromolecolare, cellulare,
organismi, organizzazione sociale). Teoria cellulare. Procarioti ed eucarioti. Organismi autotrofi ed eterotrofi.
ARGOMENTO 02 - La cellula vegetale:. Citologia dei vegetali, con particolare riguardo alla parete cellulare, al vacuolo, e al sistema plastidiale
ARGOMENTO 03 - I Tessuti: differenziazione delle cellulari vegetali. Tessuti embrionali, meristematici e adulti.
ARGOMENTO 04 – Morfologia ed anatomia del fusto: zona meristematica, zona di accrescimento e differenziazione, struttura primaria e secondaria.
ARGOMENTO 05 - Morfologia ed anatomia della radice: zona meristematica, zona di accrescimento e differenziazione, struttura primaria e secondaria.
ARGOMENTO 06 - Morfologia ed anatomia della foglia: epidermide, mesofillo, fasci conduttori.
ARGOMENTO 07 - Funzioni delle varie strutture: accrescimento e sviluppo delle piante, fotosintesi clorofilliana, traspirazione, assorbimento radicale,
trasporto dell’acqua nella pianta.
ARGOMENTO 08 – Riproduzione nei vegetali: La moltiplicazione vegetativa e la riproduzione sessuata. Spore e gameti. Cicli biologici.
UNITÀ DIDATTICA 2: PARTE SPECIALE
ARGOMENTO 09 – Tassonomia e sistematica: cenni di tassonomia e sistematica; relazioni filogenetiche e rapporti ecologici fra i principali gruppi
sistematici. Concetti di specie, selezione, domesticazione.
ARGOMENTO 10 - Alghe, Briofite, Pteridofite, Funghi, Gimnosperme: Caratteristiche morfologiche, tassonomiche e cicli riproduttivi di Alghe, Briofite,
Pteridofite, Funghi, Gimnosperme. Simbiosi radicali (azotofissatori e micorrize).
ARGOMENTO 11 – Angiosperme: Sistematica, caratteristiche morfologiche, ecologia, distribuzione ed utilizzazione delle principali Angiosperme di
interesse alimentare. Il fiore. Il frutto e i processi di maturazione. Il seme e fisiologia della germinazione.
ARGOMENTO 12 – Principali famiglie di interesse agroalimentare: Fabaceae, Oleaceae, Solanaceae,
ARGOMENTO 13 – Principali famiglie di interesse agroalimentare: Brassicaceae, Asteraceae, Liliaceae, Poaceae
Testi consigliati:
G. PASQUA, G. ABBATE, C. FORNI, Botanica generale e diversità vegetale. Ed.PICCIN.
RAVEN - JOHNSON - MASON - LOSOS - SINGER. – Struttura e funzione nelle piante. Ed. PICCIN
RINALLO C. – Botanica delle piante alimentari. Ed. PICCIN
Materiale didattico distribuito durante il corso.
Metodo scientifico
Effettuare un elevato numero di
osservazioni
Formulare un’ipotesi basata sulle
osservazioni fatte
Verificare tale ipotesi acquisendo
nuovi dati e, quando necessario,
realizzando
esperimenti
che
confermino quanto formulato
Costruire un modello o una teoria
che rappresenti il fenomeno
DISCIPLINE BOTANICHE
Morfologia vegetale
Studia la forma e la struttura delle piante.
Comprende l’Anatomia (struttura di cellule, tessuti ed
organi), la Citologia (comportamenti e cicli cellulari) e
la Palinologia (pollini e spore sia attuali che fossili).
Fisiologia vegetale
Studia i fenomeni ed i meccanismi
associati alle funzioni dei vegetali
(biochimica)
Fitogeografia (Geobotanica)
Branca della biogeografia che si
occupa della distribuzione delle
piante e comunità vegetali nel globo
Botanica sistematica
studia i vegetali con l’obiettivo di mettere in
risalto le diversità e le somiglianze così da
rendere possibile il loro riconoscimento e la loro
collocazione in uno schema di classificazione.
All’interno si distinguono sezioni specialistiche a
seconda dei gruppi vegetali trattati (Algologia,
Briologia, Micologia etc).
BOTANICA
Βοτάνη = erba
DISCIPLINE BOTANICHE
Ecologia vegetale
Branca dell’Ecologia che studia le relazioni esistenti tra piante/comunità vegetali
e l’ambiente
Botanica ambientale
studia la distribuzione, le strategie adattative, l’uso delle risorse, le interrelazioni
con l’ambiente dei viventi fotosintetici procarioti ed eucarioti, nonché i funghi,
utilizzando i diversi approcci della botanica.
Fitosociologia
riguarda lo studio delle comunità vegetali (fitocenosi), sotto l'aspetto floristico
(composizione specifica propria di ciascuna di esse), ecologico e dinamico.
Paleobotanica
Studia le piante fossili (evoluzione)
Patologia vegetale
Si occupa delle malattie dei vegetali (interesse agronomico, vivaistico e
forestale)
Botanica economica
Tratta dell’importanza economica delle piante (soprattutto in agricoltura)
Biotecnologie vegetali
Studiano il miglioramento delle piante utilizzando tecniche di laboratorio
Botanica farmaceutica
Studia le proprietà chimiche delle piante e gli effetti su uomo ed animali
Perché le piante sono così importanti per la nostra vita?
Condividiamo la terra con almeno cinque milioni -forse 30- di specie di organismi. Di queste specie, circa 235.000
sono piante a fiore e, circa 325.000 piante che non producono fiori, come muschi, licheni e alghe. Tutte sono parti
importanti della rete biologica, componenti del fragile mantello verde che riveste il nostro pianeta. Questo mantello è
essenziale per la vita, la nostra sopravvivenza dipende dalle piante. Tutte le persone, ovunque vivano, dipendono
dalle piante per cibo, abiti, ombra e combustibile. Anche quando utilizziamo oggetti ottenuti dagli animali, le piante
sono utilizzate indirettamente, perché tutti gli animali dipendono da esse per la loro energia. Ne deriva che anche gli
ecosistemi terrestri dipendono dalle piante. Conseguentemente la salute del mondo delle piante e il mantenimento
della diversità biologica detengono una vitale importanza. Nel corso della storia, le persone hanno sempre associato
la vitalità del mondo naturale – piante, animali, acqua, suolo, aria e paesaggio – con il benessere delle popolazioni
umane. GIVEN, 1994
LA VITA SULLA TERRA
In che modo le forme di vita sono tutte
imparentate tra loro?
• Tutte le specie della Terra condividono un antenato comune
• L’antenato comune tra due specie va cercato tanto più indietro nel
tempo quanto più diverse sono le due specie.
• Lo sviluppo dei più moderni metodi molecolari per confrontare i
genomi ha permesso ai biologi di stabilire con maggiore
accuratezza il grado di parentela tra gli organismi viventi.
• Quanto maggiori sono le differenze tra i genomi di due specie
tanto più lontano nel tempo andrà ricercato l’antenato comune.
Le pietre miliari dell’evoluzione:
i primi organismi
• 5 miliardi anni fa : origine della Terra
• 4 miliardi anni fa circa: comparsa prime molecole biologiche
attraverso l’associazione fisica casuale di sostanze chimiche
presenti nell’ambiente
• 3,8 miliardi di anni fa: molecole biologiche racchiuse all’interno
membrane; maggiore interazione tra loro:
formazione prime cellule con capacità di replicarsi.
CELLULA=UNITA’ DI BASE DI TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI.
• Per i 2 miliardi di anni successivi gli organismi erano: unicellulari,
procarioti, vivevano in acqua per proteggersi dalle radiazioni ed
erano in grado di replicarsi
Il cambiamento dell’atmosfera
Prima che l’ambiente diventasse
aerobio le sole cellule esistenti
erano le procariotiche (archea e
batteri), prive di nucleo e di organuli
delimitati da membrane.
L’incremento di ossigeno libero fu accompagnato dalla comparsa
delle cellule eucariotiche (cellule con involucro nucleare, cromosomi
complessi e organelli circondati da membrane come i mitocondri ed i
cloroplasti).
Il cambiamento dell’atmosfera
Gli organismi costituiti da
singole cellule, in grado di
compiere la fotosintesi,
hanno liberato ingenti
quantità
di
O2
nell’atmosfera terrestre,
rendendo possibile la vita
di elementi unicellulari
relativamente voluminosi
e, poi dei primi organismi
pluricellulari.
Gli organismi fotosintetici aumentando di numero
cambiarono l’aspetto del nostro pianeta
Il progressivo aumento dell’ossigeno gassoso
nell’atmosfera comportò due conseguenze:
1.Una parte delle molecole di ossigeno sono
andate a formare lo strato di ozono che filtrando
le radiazioni ultraviolette ha permesso a molti
organismi di sopravvivere sulla superficie delle
acque e sulle terre emerse.
2.L’incremento di ossigeno libero nell’atmosfera ha
permesso di utilizzare le sostanze organiche
prodotte con la fotosintesi, con la respirazione,
metodo molto più efficiente rispetto a
qualunque metodo anaerobio.
L’evoluzione della sessualità
SESSI SEPARATI
• I
primitivi
organismi
si
riproducevano
per
semplice
divisione cellulare, perciò la prole
aveva un corredo genetico identico
ai genitori
• Comparsa di sessi separati e di
meccanismi riproduttivi in grado di
amplificare la variabilità in una data
popolazione (combinazione tra
corredo genetico dei due individui
genitori)
• La maggiore variabilità porta alla
possibilità
di
un
maggiore
adattamento alle modificazioni
ambientali
• La ricombinazione sessuale accelera
l’evoluzione biologica.
Cellule complesse e organismi
pluricellulari
• Comparsa
di
cellule
con
compartimenti discreti, organelli,
con funzioni diverse: eucarioti
• Meccanismi di reciproca adesione
che, a seguito dei processi di
moltiplicazione cellulare, hanno
portato alla comparsa dei primi
organismi pluricellulari.
• Nel contesto di questi complessi
pluricellulari:
processo
di
specializzazione
con
cellule
diverse coinvolte in diverse
funzioni.
Albero semplificato delle relazioni
evolutive degli organismi viventi
Organizzazione gerarchica degli
organismi viventi
Livelli di organizzazione:
1. Livello cellulare (Atomi – Molecole – Macromolecole – Organello Cellula)
2. Livello organismo (Tessuto – Organo – Apparato – Organismo)
3. Livello popolazione (Specie – Popolazione – Comunità)
4. Ecosistema
5. Biosfera
Complessità degli organismi
Complessità, speciazione, evoluzione
• Una peculiarità degli organismi
corrisponde alla comparsa dei sistemi
– di complessità crescente – in grado
di rispondere a determinati segnali,
sia dall’ambiente interno che da
quello esterno, in modo da garantire
la stabilità (omeostasi) in tali
comparti.
• Un’ulteriore caratteristica esclusiva
degli organismi è la crescita regolata.
Complessità, speciazione, evoluzione
• La notevole biodiversità attuale (si
enumerano milioni di specie diverse)
deriva da un processo evolutivo definito
appunto speciazione.
• Dobbiamo infine citare, tra le
caratteristiche
distintive
degli
organismi, l’adattamento alle variazioni
ambientali; si tratta del più rilevante
risultato dell’evoluzione che procede
per selezione naturale. Il principio
dell’adattamento ha un valore trainante
in quasi tutte le ricerche biologiche
attuali.
Darwin - Lamark
Monod - Il caso e la necessità
Le piante sono organismi fotosintetici
L’energia radiante del
sole è catturata dalla
pianta ed utilizzata per
formare zuccheri dai
quali dipende tutta la
vita, compresa quella
dell’uomo.
L’ossigeno
viene
rilasciato nell’atmosfera
dalle
piante
come
sottoprodotto
della
fotosintesi.
OSMOTROFI
(es batteri e microfunghi)
I nutrienti vengono assimilati
disciolti
FAGOTROFI
(es protozoi
e
macro-
consumatori)
I nutrienti vengono assimilati
tramite fagocitosi
Le piante sono organismi autotrofi:
fabbricano da sé il loro nutrimento
partendo da semplici sostanze
inorganiche.
Gli organismi eterotrofi: dipendono
per l’energia da fonti esterne di
molecole organiche. Gli animali, i
funghi,
alcuni
batteri
sono
eterotrofi.
Con l’arrivo degli autotrofi il flusso
di energia nella biosfera ha iniziato
ad assumere la sua forma attuale:
l’energia radiante emessa dal sole è
convogliata attraverso gli autotrofi
fotosintetici, in tutte le altre forme
di vita.
Siamo perciò completamente
dipendenti dalla fotosintesi!!
Solo
pochi
organismi
(piante, alghe ed alcuni
batteri)
possiedono
la
clorofilla, indispensabile per
la fotosintesi.
La conquista della terraferma da
parte delle piante ha cambiato
profondamente l’aspetto dei
continenti.
I lineamenti principali di ciascun
paesaggio sono costituiti dalle
sue piante.
TEORIA CELLULARE
1. tutti gli organismi viventi sono composti di una o più
cellule;
2. le reazioni chimiche di un organismo vivente, inclusi i
processi che liberano energia e le reazioni
biosintetiche, avvengono all’interno delle cellule;
3. le cellule si originano da altre cellule;
4. le cellule contengono l’informazione ereditaria degli
organismi di cui fanno parte e questa informazione
viene trasferita dalla cellula madre alle cellule figlie.
La cellula rappresenta quindi l’unità strutturale e funzionale
degli esseri viventi.
Le cellule sono piccole perchè devono mantenere un alto rapporto superficie-volume
Volume determina l’ammontare dell’attività chimica della cellula per unità di tempo.
Area della superficie esterna determina la quantità di sostanze che possono attraversare la superficie
della cellula per unità di tempo.
SUPERFICIE RELATIVA
(Sr=Superficie/Volume)
La superficie relativa dipende sia dalla forma che dalle dimensioni
A parità di forma
geometrica la
superficie relativa
dipende dalle
dimensioni
La sfera rappresenta il solido
con la più bassa superficie
relativa
Di conseguenza negli esseri
viventi c’è la tendenza ad
allontanarsi dalla forma sferica
Nel mondo vivente la
tendenza ad aumentare il
più possibile la superficie
relativa è presente a tutti i
livelli di grandezza
Tutte le cellule hanno la stessa struttura
e lo stesso funzionamento di base
Tutte le cellule si rassomigliano moltissimo dal punto di
vista chimico, svolgono le stesse funzioni di base con lo
stesso tipo di strumentazione, sono composte dagli stessi
tipi di molecole che partecipano agli stessi tipi di reazioni
(DNA).
Le istruzioni della cellula sono contenute nel suo genoma
(DNA)
Tutte le cellule di un organismo pluricellulare hanno lo
stesso genoma. Diversi tipi di cellule hanno strutture
diverse e svolgono funzioni diverse perché esprimono parti
diverse del proprio genoma
La diversità delle cellule
• Le cellule possono essere molto diverse tra loro nella forma e nelle
dimensioni
• Differiscono per le sostanze chimiche di cui hanno bisogno;
• Differiscono per le attività che svolgono
• Le cellule vanno incontro a differenziamento che le renderà diverse
tra loro per essere più idonee allo svolgimento di determinate
funzioni in tessuti diversi.
• Es.: cellule dei tessuti fotosintetici hanno i cloroplasti, mentre le
cellule dei tessuti di riserva hanno gli amiloplasti.
Due tipi di cellule:
Procariotica ed Eucariotica.
Bacteria ed Archaea sono Procarioti. Le prime cellule erano probabilmente
procariotiche. Eukarya sono Eucarioti.
CELLULA PROCARIOTE E
CELLULA EUCARIOTE
Caratteri comuni a tutte le cellule
(sia procariotiche che eucariotiche) :
presenza della membrana plasmatica (o plasmalemma);
citosol (che insieme alle diverse particelle insolubili in sospensione
forma il citoplasma);
presenza di materiale genetico (informazione ereditaria, DNA,
almeno un cromosoma);
presenza dei ribosomi (anche se di diversa dimensione)
CELLULA PROCARIOTICA
• Presenta un’organizzazione che è caratteristica del Regno degli
eubatteri (inclusi i cianobatteri o alghe azzurre) e di quello degli
archeobatteri.
• I procarioti usano fonti di energia molto più varie rispetto agli altri
organismi, quindi possono occupare anche gli ambienti più estremi.
• Sono più piccole delle cellule eucariotiche
• Ogni individuo procariote è una cellula, ma molti tipi di procarioti si
uniscono a formare catenelle, grappoli ecc.
CELLULA PROCARIOTICA
Caratteristica principale: cellule sprovviste di comparti
interni delimitati da membrane.
Unica grossa molecola di DNA circolare, chiamata
cromosoma, non separata da membrana e localizzata in
un’area della cellula denominata nucleoide.
Il citoplasma non contiene organelli (solo ribosomi);
assente il citoscheletro.
La membrana cellulare è rivestita da una parete cellulare
che da rigidità;
La cellula procariotica ha dimensioni ridotte.
CELLULA PROCARIOTICA
Batteri – Escherichia coli
CELLULA PROCARIOTICA
Batteri fotosintetizzanti, meglio conosciuti come Cianobatteri o Alghe azzurre
CELLULA PROCARIOTICA
Confronto tra le principali caratteristiche delle
cellule procariotiche ed eucariotiche
Cellula procariotica
Cellula eucariotica
Dimensioni della cellula
(misura lungo l'asse maggiore)
da 1 a 10 micron
da 5 a 100 micron
Involucro nucleare
assente
presente
DNA
circolare (nucleoide)
lineare (racchiuso nel nucleo)
Organelli
assenti
presenti
Citoscheletro
assente
presente
Dimensioni ribosoma
70s
80s nel citoplasma
70s nei mitocondri e nei plastidi
CELLULA EUCARIOTICA
Organizzazione cellulare che si rinviene negli altri quattro Regni
(protisti, piante, funghi e animali).
La principale caratteristica della cellula eucariotica è di presentare
numerosi comparti al suo interno, delimitati da membrane.
DNA lineare, associato a speciali proteine chiamate istoni, separato
in varie porzioni chiamate cromosomi; separato dal resto della
cellula da una doppia membrana chiamata membrana nucleare
(nucleo);
citoplasma contiene numerosi organelli (oltre ai ribosomi) con
funzioni specializzate; presente il citoscheletro;
solo nelle cellule vegetali la membrana cellulare è rivestita da una
parete cellulare;
la cellula eucariotica ha dimensioni notevolmente maggiori (in
media è 10 volte più grande) di una cellula procariotica.
CELLULA EUCARIOTICA
La compartimentazione permette alle cellule Eucariotiche
di specializzarsi formando tessuti ed organi all’interno di
organismi pluricellulari.
Le membrane che circondano gli organelli hanno una
duplice funzione:
1. Mantiene le cellule dell’organello separate dal resto
della cellula
2. Agisce come un regolatore del traffico, conservando
alcune importanti materie prime all’interno
dell’organello e rilasciandone I prodotti all’esterno.
Confronto evolutivo tra cellule procariotiche ed eucariotiche
CELLULA
EUCARIOTICA
La membrana cellulare racchiude tutto il protoplasma, la sostanza vivente che costituisce la
cellula, e lo separa dall’ambiente esterno, extracellulare.
Il nucleo è il centro di controllo che racchiude il DNA, ovvero i fattori ereditari, e dirige
molte delle attività espletate dalla cellula. Il nucleo è circondato da una membrana che
divide e allo stesso tempo seleziona il passaggio delle informazioni tra il nucleo e il
citoplasma.
Il citoplasma - è la sostanza che si trova al di fuori del nucleo, contenuta entro la membrana
periferica del plasma. All'interno di essa e della sostanza di base che la compone troviamo
molte sostanze. Concretamente, il citoplasma è un fluido spesso, semitrasparente ed
elastico, nel quale sono sospesi gli organelli.
Il citoscheletro è una complessa rete di filamenti proteici che svolge importanti funzioni:
sostegno della cellula e dei suoi organuli, controllo del trasporto interno di organuli e
vescicole e del movimento dell’intera cellula.
CELLULA
EUCARIOTICA
Gli organelli - sono strutture che, come ciascun organo del corpo, hanno un ruolo specifico
nella crescita, nel mantenimento, nella ricostruzione e nel controllo del ciclo vitale delle
cellule. Essi comprendono i mitocondri, il reticolo, i ribosomi, i lisosomi e l’Apparato del
Golgi.
• I mitocondri servono alla cellula per produrre energia dalla demolizione (ossidazione) dei
principi nutritivi (zuccheri e grassi, in particolare)
• I ribosomi sono la sede della sintesi delle proteine. Nei procarioti sono situati nel citosol,
mentre negli eucarioti una parte dei ribosomi è legata al reticolo endoplasmatico
(rugoso).
• Il reticolo endoplasmatico (liscio o rugoso) è una complessa rete di membrane che
attraversa il citoplasma e consente il trasporto di sostanze nel citoplasma.
• L’apparato del Golgi è costituito da una serie di membrane appiattite, che formano delle
sacche dette cisterne, circondate da vescicole tondeggianti. l’apparato del Golgi
impacchetta proteine (sempre prodotte dai ribosomi) in vescicole di secrezione, che
vengono poi espulse dalla cellula
• I lisosomi sono vescicole contenenti enzimi (idrolitici), capaci di demolire le grosse
molecole cellulari (autodigestione) o quelle provenienti dall’esterno in composti semplici.
La membrana cellulare
Le membrane cellulari (dette anche plasmalemma) sono componenti
essenziali di ogni cellula e svolgono la funzione di isolare l’ambiente
intracellulare dall’esterno e di compartimentare gli spazi interni
(organuli).
Tutte le cellule sono circondate da una
membrana plasmatica costituita da un doppio
strato di fosfolipidi.
La membrana plasmatica:
• Permette di mantenere un ambiente interno costante
(omeostasi)
• La membrana è selettivamente permeabile
• Permette la comunicazione tra cellule adiacenti e riceve
segnali dall’ambiente.
• Possiede proteine responsabili
dell’adesione alle cellule adiacenti.
del
legame
e
Costituenti chimici della membrana:
• Lipidi (determinano l’integrità fisica della membrana e formano una barriera
contro il passaggio di sostanze idrofile)
• Proteine: funzione di trasporto dei materiali attraverso le membrane e di
intercettazione segnali chimici da altre cellule
• Carboidrati: associati alle membrane, possono aderire sia alle molecole lipidiche
sia a molecole proteiche. Sono collocati sul versante esterno membrane e
fungono da siti di riconoscimento per le interazioni fra cellule e per le sostanze
estranee
Plasmalemma al microscopio elettronico
Funzione delle membrane
biologiche
La funzione delle membrane biologiche è determinata
dalla struttura chimica
• Tra le principali funzioni della membrana è quella di
selezionare le sostanze in entrata e in uscita in quanto
funge da barriera chimica altamente selettiva.
• La selezione viene effettuata principalmente dalle
proteine di natura intrinseca che nel complesso
vengono indicate con il termine di proteine di trasporto.
