Programma e prima lezione File - e

“CORSO DI LAUREA IN:” SCIENZE
AMBIENTALI”
“BOTANICA MORFO-FUNZIONALE”
“2016-2017”
Docente: Prof.
Maria Maddalena Altamura
Dipartimento Biologia Ambientale, piano terra,
stanza 14 tel 06/49912452 e-mail:
[email protected]
Studenti target: primo anno laurea triennale
Livello dell’Unità: introduttivo
Pre-requisiti: conoscenze di Chimica generale
ed inorganica
Crediti: 8 (lezioni frontali) + 1 (esercitazioni
di laboratorio)
Descrizione dei contenuti
PROCARIOTI. Morfologia. Caratteristiche cellulari, in particolare in relazione all’habitat. Metabolismo
dei batteri fotosintetici e chemiosintetici e loro ruolo nei cicli biogeochimici di zolfo ed azoto. Batteri estremofili.
CITOLOGIA VEGETALE. Compartimentazione della cellula vegetale eucariote. Nucleo, ciclo cellulare e citodieresi.
Citoscheletro. Lamella mediana e plasmodesmi. Parete cellulare. Plastidi e loro interconversione. Struttura e funzioni
del cloroplasto. Vacuolo e suoi ruoli.
TALLO. Tipi ed organizzazione.
Riproduzione sessuale ed asessuale nelle Tallofite. Metagenesi e variazione delle strategie riproduttive in relazione
alla variazione dei parametri ambientali.
ALGHE. Generalità cellulari e pseudotissutali dei principali gruppi, metabolismo e riproduzione.
FUNGHI. Generalità cellulari e pseudotissutali di Zigomiceti, Ascomiceti e Basidiomiceti. Riproduzione ed attività
metaboliche in relazione al ruolo nell’ecosistema.
INTERAZIONE FRA ORGANISMI A FINI NUTRIZIONALI. Strategie predatorie e simbiosi antagoniste e mutualistiche.
ADATTAMENTO DELLE PSEUDOCORMOFITE E CORMOFITE ALLA VITA IN AMBIENTE SUBAEREO. Il bilancio
idrico ed origine del sistema vascolare.
BRIOFITE. Citologia, organizzazione pseudotissutale, riproduzione asessuale e sessuale di epatiche e muschi.
Caratteristiche biologiche in relazione all’ambiente.
TRACHEOFITE. I tessuti e gli organi della pianta.
MERISTEMI APICALI e LATERALI. Ruoli dei meristemi primari nella crescita della pianta.
RADICE, FUSTO e FOGLIE. Struttura, funzioni ed adattamenti in relazione alla variazione dei parametri ambientali.
CRITTOGAME VASCOLARI. Caratteristiche morfo-anatomiche, riproduzione asessuale e sessuale (isosporia ed
eterosporia).
SPERMATOFITE. Formazione dell’ovulo e del seme in Gimnosperme ed Angiosperme.
MERISTEMI SECONDARI. Attività del cambio cribro-vascolare e di quello subero-fellodermico. Definizione del corpo
secondario di fusto e radice in Gimnosperme ed Angiosperme ed implicazioni adattative.
GIMNOSPERME. Apparati vegetativi e riproduzione nelle Conifere.
POLLINE. Comparsa e ruolo nella riproduzione sessuale di Gimnosperme ed Angiosperme.
ANGIOSPERME. Caratteristiche morfo-funzionali degli apparati vegetativi e riproduttori.
FIORE. Ontogenesi. Stame: microsporogenesi e microgametogenesi. Pistillo: macrosporogenesi e
macrogametogenesi.
FRUTTO. Ontogenesi ed organizzazione tissutale. Impollinazione. Doppia fecondazione. Formazione dell’embrione nel
seme e significati adattativi.
• Valutazione finale
La valutazione del profitto avverrà mediante un
esame orale completo di riconoscimento di
strutture ed organi della pianta volto a verificare le
conoscenze acquisite durante il corso di lezioni e le
attività di esercitazione.
• Calendario d’esami su INFOSTUD
Testi consigliati:
J.D. Mauseth Botanica Fondamenti di
BIOLOGIA delle PIANTE (III ediz.italiana).
Editore Idelson Gnocchi.
TUTTI I VIVENTI sono fatti
di CELLULE
COS’E’ la VITA?
E’ una particolare proprietà della
MATERIA
che compare solo quando certe
molecole si combinano in una ben
determinata disposizione
Composizione atomica degli
organismi (%peso fresco)
Elemento:
C
H
N
O
P
S
Tot
UOMO ERBA MEDICA
19,37
11,34
9,31
8,72
5,14
0,83
62,81
77,90
0,63
0,71
0,64
0,1
97,9
99,6
BATTERIO
12,14
9,94
3,04
73,68
0,60
0,32
99,72
Costituzione chimica di base dei
viventi
• Acqua (50% della materia vivente)
• Altri composti inorganici (in gran parte
ioni,K+, Ca 2+ , Na +, ecc., in soluzione
acquosa)
• Composti organici: carboidrati (C, H e O),
lipidi (C, H, O), acidi organici, come DNA e
RNA (C, H, O, N, P), e proteine (C, H, O,
N, S).
Una molecola di grasso è costituita da tre acidi
grassi uniti al glicerolo (trigliceride)
I FOSFOLIPIDI
I Fosfolipidi sono componenti delle
citomembrane
Anche le proteine sono polimeri
La base dei viventi è
l’organizzazione cellulare
• Quanto più grande è un organismo,
maggiore è il numero di cellule di cui è
fatto
• Non cambiano, invece, le dimensioni delle
singole cellule, che restano piccole
Ogni cellula possiede le informazioni
necessarie per costruire una cellula simile a
se stessa
• Queste informazioni vengono ereditate
dalla cellula parentale e verranno
trasmesse alla cellula figlia
(teoria cellulare: omnis cellula e cellula)
• A che servono queste informazioni????
SERVONO A COSTRUIRE LE
PROTEINE
Le informazioni sono contenute
negli acidi nucleici
Il contenuto di DNA varia fra gli
organismi
• Escherichia coli
• Aspergilllus niger
0,004 x 10-9 mg
0,04 x 10-9 mg
• Zea mais
• Homo sapiens
8,4
3,25
x 10-9 mg
x 10-9 mg
Cos’è un gene???
• Il tratto di DNA che contiene le informazioni
necessarie alla costruzione di una singola
proteina si chiama GENE
• Durante la trascizione ogni gene serve da
stampo per un RNA messaggero
• L’unità elementare di codificazione del DNA si
chiama CODONE
• Ogni codone è formato da una tripletta di
nucleotidi
• CODICE GENETICO è l’insieme delle possibili
triplette di nucleotidi
Le cellule sono la sede del
METABOLISMO
• A che serve?
• Al mantenimento della FORMA,
STRUTTURA ed Efficienza della
CELLULA
• Attraverso il metabolismo verrà assicurato
il mantenimento delle condizioni chimicofisiche necessarie alla vita della cellula,
cioè alla sua OMEOSTASI CELLULARE
La VITA consuma energia???
• Per mantenere nel tempo funzioni ed ordine,
ogni cellula, e quindi ogni organismo, deve
consumare energia per contrastare la tendenza
propria di ogni sistema di materia verso il
disordine molecolare (ENTROPIA)
•
Conseguenza:
• Tutti gli organismi richiedono un costante
apporto energetico per mantenersi in vita, come
se lo procurano????
• Gli ANIMALI attraverso la NUTRIZIONE
• Le piante verdi attraverso la luce del sole
In piante ed animali
l’organizzazione specifica della
materia vivente presenta
manifestazioni:
• Morfologiche: DIVERSITA’ (370.000
specie di piante, più di 2.000.000 di specie
animali) e UNIFORMITA’(i sistemi biologici
mostrano comuni processi vitali
fondamentali)
• Dinamiche: METABOLISMO,
Produttività (Accrescimento e
riproduzione), Sensibilità (capacità di
reazione)
METABOLISMO
• ANABOLISMO
Insieme dei processi di BIOSINTESI con i
quali la cellula produce le molecole che la
costituiscono
• CATABOLISMO
Insieme delle attività di demolizione delle
molecole organiche per ricavarne energia
vitale (ad es. adenosina trifosfato, ATP)
AUTOTROFIA ed ETEROTROFIA
• I vegetali autotrofi si nutrono a partire da
sostanze inorganiche
Chi sono?
Le piante verdi, le briofite, le alghe ed alcuni
batteri
• I vegetali eterotrofi, come gli animali, si
nutrono a partire da sostanze organiche
Chi sono?
I funghi e gran parte dei batteri
FOTOAUTOTROFIA e
CHEMIOAUTOTROFIA
• Un vegetale è fotoautotrofo quando utilizza la
LUCE come sorgente energetica per produrre il
suo nutrimento (il processo è la FOTOSINTESI)
• Alcuni batteri si dicono chemioautotrofi perché
ricavano l’energia per la produzione del
nutrimento da sostanze chimiche inorganiche di
cui sono capaci di catalizzare la reazione di
ossidazione (il processo è la CHEMIOSINTESI)
Gli autotrofi sono i PRODUTTORI
PRIMARI
• Gli eterotrofi sono i CONSUMATORI,
Di cosa? Di energia fotosintetica.
Gli eterotrofi sono distinti in saprofiti e simbionti
I saprofiti vivono a spese di materia organica
morta, decomponendola
I simbionti (parassiti e mutualisti) stabiliscono
un’intima relazione nutrizionale con un autotrofo
Modalità del catabolismo
• Aerobiosi: il vegetale demolisce l’alimento
utilizzando ossigeno molecolare
• Anaerobiosi: il vegetale demolisce l’alimento
utilizzando composti alternativi all’ossigeno
molecolare
• Sia gli aerobi che gli anaerobi possono essere
facoltativi o obbligati
• I processi demolitivi finalizzati a degradare le
molecole organiche in molecole più semplici
sono la respirazione e le fermentazioni
Vie metaboliche dirette in senso
opposto coesistono nelle cellule
• Qual è il “trucco” che la cellula ha
evolutivamente affermato per controllare
il traffico cellulare??
• La COMPARTIMENTAZIONE cellulare:
vie metaboliche specifiche in specifici
comparti cellulari.
• Chi la conquista? Gli eucarioti e non i
procarioti (batteri)
La cellula: autonomia e
coordinazione
• E’ l’unità funzionale dell’organismo, in quanto
potenzialmente in grado di svolgere in modo
autonomo le funzioni vitali basilari
(metabolismo, crescita e replicazione)
• Ne consegue che un intero organismo può
essere fatto di una sola cellula (Organismo
Unicellulare, es. procarioti, alcuni fughi e
diverse alghe)
• L’evoluzione ha però favorito gli organismi
pluricellulari (es. molti funghi ed alghe, tutte le
briofite e le piante vascolari), perché???
La pluricellularità favorisce il
coordinamento
• Aumenta di molto la superficie utilizzabile
per gli scambi con l’ambiente esterno, infatti
tantissime piccole cellule, con i relativi spazi
intercellulari, danno al vegetale una
grandissima superficie relativa (rapporto
superficie/volume)
• Viene inoltre realizzato un complesso di
risposte di interfaccia con gli altri organismi
e la componente abiotica dell’ambiente,
viene raffinata la relazione fra struttura e
funzioni, la complessità ha portato a tipi
cellulari diversi per forma e funzione e
capaci di lavoro integrato e coordinato per
l’intero ciclo vitale
Alla base dell’evoluzione c’è la
capacità di MUTAZIONE
• I viventi possono compiere cambiamenti
in determinate proprietà
MORFOLOGICHE e FISIOLOGICHE
durante il succedersi delle GENERAZIONI
Cosa è successo nel corso
dell’evoluzione?
• Il numero di tipi di cellule e tessuti da esse
costituiti si è progressivamente
accresciuto
• Come erano i vegetali più antichi?
Organismi unicellulari a struttura molto
semplice
Come sono i vegetali più evoluti?
Le Angiosperme presentano 70-80 tipi
cellulari diversi per
FORMA e FUNZIONE
La Vita nel tempo
• PROCARIOTI (3,5 miliardi di anni fa)
• EUCARIOTI (1,5-2 miliardi di anni fa)
• Primi organismi macroscopici (700 milioni
di anni fa)
• Piante vascolari (405 milioni di anni fa)
• Piante a fiore (165 milioni di anni fa)
I Procarioti
Sono gli organismi più semplici, più
piccoli e più diffusi sulla Terra
(il loro peso totale supera quello di
tutti gli altri organismi assieme)
In 1 gr di suolo fertile vi possono
essere circa 2,5 miliardi di individui
L’aria che respiriamo è piena di
spore batteriche
Nonostante la semplicità strutturale
presentano STUPEFACENTI
diversità di mezzi di adattamento a
differenti ambienti
• 1 grammo di terreno contiene circa 109
batteri, alcuni sono PATOGENI, la maggior
parte sono SAPROFITI (organismi
decompositori, principale difesa
dell’ecosistema contro l’accumulo di rifiuti
e l’inquinamento da essi causato!)
Caratteri generali dei Procarioti
• Nucleo privo di membrana delimitante e dal
punto di vista biochimico molto diverso da
quello degli eucarioti
• Dimensioni cellulari ridotte (0,5-0,8 x 1-3 μm)
• Presenza nella parete di MUREINA (assente
negli eucarioti)
• Possibile presenza di flagelli (a composizine
diversa da quella degli eucarioti)
• Presenza nel citoplasma di PLASMIDI (unità
aggiuntive di DNA capaci di autoduplicarsi
indipendentemente dal nucleoide)
Cosa manca nella cellula
procariotica?
• Mitocondri
• Plastidi
• Reticolo endoplasmatico
• Citoscheletro
• Lisosomi
• Perossisomi
• Cromosomi
MANCA LA RIPRODUZIONE SESSUALE
Il Citoscheletro è essenziale per
l’equa ripartizione del genoma
Come si moltiplicano i procarioti?
•
•
•
•
Per scissione
Gemmazione
Frammentazione
Sporulazione
Conseguenza?
La progenie è clonata
Archebatteri termofili estremi
es. (a) Yellowstone (temp. Sopra 90°)
(b) Mammoth Hot Springs: i batteri termofili
sono presenti nelle acque più calde, nelle
pozze inferiori vi sono archea diversi, ed in
quelle ancora più basse cianobatteri
Vasche di evaporazione della
Leslie Salt Company
• Sono presenti archebatteri alofili estremi,
crescono in presenza di concentrazioni di
sale quasi vicine alla
saturazione/cristallizzazione, nonostante
questo RIESCONO AD ASSORBIRE
ACQUA DALL’AMBIENTE
I batteri metanogeni
• È una linea di archebatteri presenti in
ambienti totalmente asfittici dove utilizzano
H2 e CO2 per produrre METANO (CH4)
Solfobatteri fotoautotrofi
La batterioclorofilla a è simile alla
clorofilla a
Vicino ai batteri termofili estremi ci possono
essere solfobatteri che usano il solfuro di
idrogeno
I solfobatteri verdi e purpurei vivono alla luce solo in
condizioni anaerobiche
I solfobatteri autotrofi utilizzano
principalmente composti dello zolfo
come donatori di elettroni
• CO2 + 2 H2S >>>> (CH2O) + H2O + S2
I CIANOBATTERI
Nostoc, coloniale
ed azotofissatore
Oscillatoria (coloniale)
Tilacoidi paralleli e derivanti dalla
membrana plasmatica
Fotosintesi ossigenica
Sistema pigmentario
• Clorofilla a (antenna)
• Ficobiliproteine (funzione antenna)
• B-carotene e zeaxantina (a funzione
fotoprotettiva)
• Esistono due tipi di fotosistemi gli elettroni
vengono presi da H2O ed utilizzati per
ridurre NADP+ a NADPH
• AVVIENE LIBERAZIONE DI O2
Gli stromatoliti
Sono formazioni
rocciose originatesi per
la crescita di
cianobatteri filamentosi
con guaine
mucillaginose che
intrappolano particelle
di sedimento e
favoriscono con il loro
metabolismo la
deposizine di CaCO3
Azoto: N
•
•
•
•
•
•
•
Scoperto da D. Rutheford nel 1772
Numero Atomico: 7
Valenza: 1, 2, 3, 4, 5
Elettronegatività: 3.04
T fusione: - 209.86°C
T ebollizione: - 195.8°C
Forma (N2) circa il 78% dell’atmosfera
terrestre
• Usato nell'industria chimica per la
preparazione di ammoniaca e altri
fertilizzanti. Utilizzato nelle atmosfere
inerti delle preparazioni alimentari.
Usato nell'industria degli esplosivi.
• Nelle piante la sola presenza nelle
proteine, negli acidi nucleici e nel
tetrapirrolo della clorofilla è
sufficiente a farne comprendere
l’essenzialità.
Metabolismo dell’Azoto
• L’azoto non è presente nella matrice
cristallina delle rocce se non in zone molto
aride.
• La maggior parte dell’azoto ( N2) è presente
nell’atmosfera ma è inerte (i due atomi sono
uniti da un triplo legame)
• Può essere utilizzato dagli organismi
solo mediante un processo di riduzione
Le piante non sono in grado di organicare azoto
molecolare al contrario di
-batteri e
-cianobatteri azoto-fissatori
che utilizzano l’enzima Nitrogenasi
spendendo molta energia:
N2 + 6Fd rid +nATP +8H+
6 Fdox + ADP + nPi
(n>=6)
Taluni
2NH4++
batteri usano la flavodossina al posto della ferridossina
La nitrogenasi
- non esiste negli eucarioti
- è irreversibilmente alterata dal contatto con
l’ossigeno
quindi deve agire in
- organismi anaerobi
- ambienti isolati (es eterocisti)
- diminuita presenza di ossigeno (es respirazione intensa o
cattura da parte della Leghemoglobina nella
simbiosi Rhizobium/leguminose)
Fissazione dell’Azoto
• Si intende la conversione di N2 in
nitrato, nitrito o ammonio
Industrie
106 tonnellate/anno
7,5%
Natura
92,5%
di cui più del 90%per
fissazione biologica
ORGANISMI AZOTO FISSATORI
PROCARIOTI LIBERI
- Batteri eterotrofi aerobi (es. azotobacter, anaerobi facoltativi,
es. Klebsiella o obbligati, es. Clostridium
- Batteri fotoautotrofi (es. Rhodospirillum, Rhodopseudomonas)
-Cianobatteri
unicellulari o
coloniali
non eterocistici (Spirulina, Oscillatoria )
eterocistici (Anabaena, Nostoc,Calotrix)
PROCARIOTI SIMBIONTI
- cianobatteri con molti tipi di piante inferiori e superiori
- batteri Rhizobium con leguminose (specificità: leg-emoglobina)
Leghemoglobina è una ferro-proteina:l’eme è sintetizzato
dal Rhizobium e la prot dalla leguminosa (soia,
arachidi, fagiolo, pisello,lenticchia, lupino, erba
medica, trifoglio, fave etc). E’ il prodotto della
simbiosi = nuova capacità
- attinomiceti (Frankia)
Fissazione dell’N2
Es. Anabaena .
• Nel processo di organicazione viene
utilizzata solo la forma ammoniacale
(N.O.-3) NH3 (che si lega facilmente al suolo)
• Le piante possono utilizzare anche
nitrati (-NO3 viene dilavato e assorbito dalle
radici) ed urea
• una volta trasformati dalla pianta in
azoto ammoniacale con spesa di potere
riducente (NADPH2 e 6 Fd rid)
2e• NO3-
6eNO2-
NH+4
Ciclo dell’Azoto
Organismi azoto
autotrofi
-NH2
Funghi e batteri
decompositori
Procarioti
azoto fissatori
Batteri
denitrificanti
che respirano N
Freccia blu: ox
Freccia rossa: red
Batteri
nitrosanti
e nitrificanti
chemiosintetici
Ammidi importanti
I gruppi amminici
possono
venire trasferiti per
transaminazione a diversi
altri composti dando
origine
ad es. a aminoacidi, basi
azotate etc
Composti dell’azoto e N.O.
•
•
•
•
•
N2 azoto molecolare 0
NH4+ ione ammonio -3
NO2- ione nitrito
+3
NO3- ione nitrato
+5
N2O ossido di diazoto +1