Appunti essenziali di Biologia Vegetale (riassunti per esame)

Introduzione e LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE

• Biologia: scienza che studia la vita; metodo scientifico per dati, fenomeni osservabili, prove e fatti concreti.
• Due approcci: biologia dei sistemi vs riduzionismo; livelli di organizzazione dalla Biosfera al DNA.
• Livelli principali (riduzionismo):
  1) Biosfera, 2) Ecosistemi, 3) Comunità, 4) Popolazioni, 5) Organismi, 6) Organi e sistemi di organi, 7) Tessuti, 8) Cellule, 9) Organelli, 10) Molecole.
• Cellula: unità funzionale; differenze tra procarioti ed eucarioti; cloroplasti e parete nelle piante.

CONCETTI FONDAMENTALI

• Struttura-funzione: correlazione tra forma e funzione di ogni componente.
• Codice genetico-DNA: DNA trasmette info vitali; RNA e proteine coinvolte nell’espressione genica.
• Interazione e scambio di energia: sistemi viventi sono aperti; fotosintesi nelle foglie come esempio chiave di input energetico.
• Ciclo vitale e riproduzione: nascita, crescita, sviluppo, morte, e possibilità di riproduzione; varietà tra ciclo vitale di piante e animali.
• Reazione agli stimoli e omeostasi: recettori, trasduzione del segnale, omeostasi tramite autoregolazione.
• Evoluzione: modificazioni dei caratteri ereditari (DNA); selezione naturale e discendenza con modificazioni.
• Storia evolutiva della Terra: origine circa 4.6 Md; origine eucarioti; fotosintesi ossigenante; biodiversità odierna.

LA CELLULA E I DUE TIPI DI MICROSOPIA

• Cellule vegetali: eucarioti con cloroplasti, vacuolo e parete cellulare; differenze rispetto alle cellule animali.
• Microscopia: ottica (millimetro–micrometro) e elettronica (nanometri); TEM vs SEM.
• Procarioti vs Eucarioti: dimensioni, DNA libero nel citoplasma vs nucleo; ribosomi 50S+30S vs 60S+40S; organelli.
• Ribosomi: 50S/30S nei procarioti; 60S/40S negli eucarioti.
• Organismi vegetali hanno parete cellulare; cloroplasti e vacuolo caratteristici.

I CONCETTI DI BASE DELLA CHIMICA DELLE PIANTE

• Elementi e composti; atomi e legami; elettronegatività e polarità dell’acqua.
• Água: molecola polare; legami a idrogeno; calore specifico elevato; solvente universale.
• Regole di base della chimica biologica: A=T e C=G nel DNA; A=U e C=G nell’RNA ( Chargaff ); le basi azotate si accoppiano in modo stabile.
• Composti principali: acqua, ioni, zuccheri, lipidi, proteine, acidi nucleici.

MOLECOLE ORGANICHE NELLE PIANTE (MACROMOLECOLE)

• Carboidrati: monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi (amido, cellulosa, glicogeno); funzioni di riserva e struttura.
• Lipidi: grassi, trigliceridi, fosfolipidi; natura idrofoba/ anfipaticità; ruolo in membrane e riserva energetica.
• Proteine: monomero di aminoacidi (20 amminoacidi standard); legame peptidico; funzioni catalitiche, strutturali, recettoriali, di riserva, difesa.
• Acidi nucleici: DNA (trascrizione/traduzione) e RNA; nucleotidi formati da zucchero (desossiribosio o ribosio), basi azotate (Purine: A,G; Pirimidine: C,T(U)); regola di base A=T e C=G nel DNA; A=U e C=G nell’RNA.
• Sintesi delle macromolecole: polimerizzazione con eliminazione di H2O (reazioni di condensazione); idrolisi per degradazione.

LA MEMBRANA E IL CITOPLASMA

• Membrana plasmatica: doppio strato di fosfolipidi; teste idrofile sulle superfici esterne; code idrofobe all’interno.
• Proteine di membrana: intrinseche o periferiche; ruoli di trasporto, catalisi, recettori, sostegno.
• Osmosi e trasporto: diffusione semplice e facilitata (canali); trasporto attivo primario/secondario; gradienti di concentrazione ed elettrochimico.
• Tonoplasto: membrana del vacuolo; controllo contenuto idrico e ioni.

VACUOLO, PARETE CELLULARE E ORGANELLI DELLA CELLULA VEGETALE

• Vacuolo: occupa 80–90% del volume cellulare; funzione di distensione e deposito; tonoplasto attivo.
• Parete cellulare: lamella mediana, parete primaria e parete secondaria; proteine espansine/estensie; cellulosa; lignina; cutina e cere; funzione strutturale e di protezione.
• Plastidi: cloroplasti (clorofilla), cromoplasti (carotenoidi), leucoplasti (amido), origine endosimbiontica.
• Mitocondri: respirazione, ATP; due membrane con creste interne; DNA mitocondriale; ribosomi 70S.
• Perossisomi: detossificazione; alcuni species specializzati (gliossisomi) nei semi.
• Reticolo endoplasmatico (RE): rugoso (ribosomi; sintesi proteine) e liscio (lipidi; detossificazione).
• Apparato di Golgi: maturazione/impacchettamento proteine; vescicole di secretione; direzioni cis e trans.
• Lisosomi: presenti nelle cellule animali; in cellule vegetali sostituiti dal vacuolo.
• Nucleo: DNA, cromosomi, nucleolo; pori nucleari; import/export di molecole grandi.
• Desmotubi e plasmodesmi: comunicazione tra cellule vegetali; passaggio di grosse molecole.

LA CELLULA VEGETALE: VACUOLO E PARETE SECONDARIA

• Vacuolo litico e funzione secretoria; contenuto di metaboliti, ioni, proteine di riserva, aleurone.
• Parete secondaria: rigidezza aggiuntiva; lignificazione; lignina e pigmenti; formazione di sughero (suberina).
• Germinazione: amiloplasti nei cloroplasti; amilasi/stomache enzimatiche per l’amido; funzione di riserva.

I TESSUTI E I MERISTEMI

• Meristemi: tessuti embrionali con elevata attività mitotica; primari e secondari; crescita primaria e secondaria.
• Tessuti adulti: protettivi (tegumentali), parenchimatici, meccanici, conduttori, secretori.
• Tessuti meristematici primari: apicali e intercalares; crecita longitudinale e ramificata.
• Tessuti meristematici secondari: cambio cribro-vascolare e cambio subero-fellodermico; avventizi.
• Tessuti adulti: tessuti protettori, parenchimatici di riempimento, meccanici, conduttori.
• Tessuti tegumentali: Epidermide (stomi, tricomati), riveste superfici aeree; assicura protezione e controllo gas.
• Tessuti conduttori: Xilema (linfa grezza) e Floema (linfa elaborata); trasporto unidirezionale vs bidirezionale.

FENOTIPI DELLE PIANTE E FISIOLOGIA DELLE FUNZIONI DI BASE

• Fotosintesi clorofilliana: pigmenti (clorofilla a,b; carotenoidi) assorbono luce, rilasciano ossigeno; i pigmenti determinano spettro di assorbimento.
• Fasi: luminosa (fotochimica) produce ATP e NADPH; oscura (Calvin) fissa CO2 per formare zuccheri; ciclo di Calvin richiede 18 ATP e 12 NADPH per una molecola di glucosio.
• Formula generale della fotosintesi: 6 CO2 + 6 H2O + luce → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O (bilanciamento generale).
• Via dei pigmenti: spettro d’azione e spettro di assorbimento; interazione luce-pigmenti determina efficienza.
• Fotoinibizione: fotorespirazione (RuBisCO può fissare O2); condizioni aride aumentano l’effetto; piante C3, C4 e CAM contrastano differenze metaboliche per ottimizzare fotosintesi.
• CAM e C4: strategie per ottimizzare fissazione CO2 in condizioni d’alta intensità luminosa e disponibilità idrica.
• Osmosi e trasporto idrico: tonoplasto e pressioni turgoriche influenzano distensione cellulare e crescita (parola chiave: turgore).

METABOLISMO E NUTRIZIONE MINERALE

• Nutrienti: macro (N, P, K, Ca, Mg, S,…) e micro (Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo, Cl, Ni).
• Elementi essenziali: 17 elementi; prove idroponiche per determinare essenzialità; macro e micro nutrienti.
• Flusso di energia: fotosintesi immagazzina energia; respirazione libera energia per attività cellulari; scambio di energia tra organismi.
• Respirazione cellulare: glicolisi nel citosol; piruvato entra in mitocondrio; ciclo di Krebs; fosforilazione ossidativa; produzione di ATP.
• Nutrizione minerale: assorbimento via radici; Xilema trasporta acqua e minerali; Floema distribuisce zuccheri; flusso massivo e gradiente di pressione.
• Rizobatteri e simbiosi: fissazione dell’azoto (N2 → NH4+); leguminose (fagiolo) con noduli.
• Cicli biogeochimici: carbonio, fosforo, azoto; rilascio/assorbimento e riciclo ambientale; impatti umani sull’equilibrio.

ETNOBOTANICA, FARMACOPEA E POLITICHE

• Etno-botanica: uso della flora nelle culture umane; fitoalimurgia e fitocomplessi per medicamenti.
• Principi attivi: alcaloidi (nicotina, tassolo, caffeina), fenoli (antocianine, flavonoidi), terpeni (limonene, artemisinina).
• Farmacopea e fitovigilanza: normativa CE (2001/83/CE; 2002/46/CE; 2004/24/CE); controllo qualità; uso responsabile delle piante medicinali.
• Esempi noti: Taxus brevifolia (tassolo anticancro, estratto in basse quantità), Digitalis (cardiotonici), Salix (acido salicilico → aspirina), Mandragora (alcaloidi tropanici).
• Allerta su veleni naturali: cicuta vs prezzemolo selvatico; differenze morfologiche e di contenuto.

CITOLOGIA E ISTOLOGIA DELLE PIANTE

• Citologia vegetale: differenze tra cellule animali e vegetali; presenza di cloroplasti, parete cellulare, vacuolo.
• Organuli principali: Nucleo, Ribosomi 80S (cellule eucariotiche), RET (RE rugoso/lisico), Golgi, Mitocondri, Cloroplasti, Vacuolo, Parete cellulare.
• Plastidi: cloroplasti, cromoplasti, leucoplasti; cloroplasti contengono clorofilla; cromoplasti pigmenti di segnalazione.
• Fisiologia della parete: lamella mediana, parete primaria e secondaria; microfibrille di cellulose; espansine/enzimi per distensione.
• Tessuti: meristematici vs adulti; tessuti omeomorfi vs eteromorfi; tessuti parenchimatici, meccanici e conduttori; tessuti tegumentali (epidermide con stomi, tricomi).
• Fiore delle piante: stato di tessuti conduttori, piante vascolari con xilema e floema; fascio vascolare; tipi di fasci (collaterale chiuso/aperto, perifloematico, perixilematico, radiale).

ORMONI VEGETALI

• Ormoni principali: auxine (IAA), gibberelline, citochinine, abscisico (ABA), etilene, brassinosteroidi.
• Auxina (IAA): sviluppo delle radici, allungamento cellulare, fototropismo e gravitropismo; trasporto polarizzato dall’apice verso zone sottostanti.
• Gibberelline: allungamento fusto, germinazione, fioritura, sviluppo del frutto; produzione nell’apice/germogli e endosperma.
• Citochine: promuovono divisione/differenziamento, stimolano gemme laterali, ritardano senescenza fogliare.
• ABA: regola traspirazione, dormienza dei semi, antagonista di auxine/gibberelline/citochine; chiude stomati tramite pompaggio K+.
• Etilene: gas di stress; maturazione dei frutti, senescenza, caduta foglie; risposte al contatto e stress meccanico.
• Brassinosteroidi: stimolano allungamento/divisione cellulare; sinergie con citochine e altre funzioni.

RIPRODUZIONE VEGETALE E CICLI DI VITA

• Riproduzione asessuata ( agamica): frammentazione, gemmazione, scissione; pro dell’individuo; vantaggio: no bisogno di gameti.
• Riproduzione sessuata (gamica): gameti e zigote; vari tipi di cicli:
• Ciclo aplonte (fungi/protisti): predominanza dello stato aploide; meiosi genera spore.
• Ciclo diplonte (animali): predominanza diploide; gameti prodotti da meiosi.
• Ciclo aplodiplonte (piante): alternanza fra sporofito (diploide) e gametofito (aploide).
• Angiosperme e gymnosperme: fiori e seme; ibridi di germogli; differenze tra seme/ovario e sviluppo di gameti; polline/ovuli.

RIPRODUZIONE SESSUATA: MEIOSI E MITOSI

• Mitosi: duplicazione e separazione dei cromosomi in due cellule figlie; uso in crescita e riparazione.
• Meiosi: due divisioni (I e II) con crossing-over in profase I; generazione di gameti aploidi; variabilità genetica.

BIO-TECNOLOGIA VEGETALE

• Tecniche di propagazione: colture in vitro (protoplasti), talee, margotte, propaggine; micropropagazione.
• Colture in vitro: callo progenito; intervento di ormoni (auxina e citochine) per differenziazione.
• Trasferimento di DNA: Agrobacterium tumefaciens, particle bombardment, electroporation; CRISPR-Cas9 (moderno).
• Organismi geneticamente modificati (OGM): vantaggi (tracciabilità, controllo) e rischi (fuga genetica). Esempi: papaia resistente al virus, riso dorato per vitamina A.

CONSIDERAZIONI FINALi

• Importanza del regno vegetale per salute, alimentazione, ambiente, biomolecole e farmaci.
• Nucleari e trasformazioni genetiche richiedono considerazioni etiche e normative; biosicurezza ed etnobotanica.

FORMULE E RIFERIMENTI CHIAVE DA RICORDARE

• Peso e dimensioni cellulari: procarioti ~1–10 μm; eucarioti 10–100 μm.
• DNA e RNA: DNA contiene A, T, C, G; RNA contiene A, U, C, G; regola di Chargaff: A=T, C=G nel DNA; A=U, C=G nell’RNA.
• Fotosintesi: formula generale 6 CO2 + 6 H2O + luce → C6H12O6 + 6 O2; fase luminosa (ATP, NADPH), fase oscura (Calvin cycle).
• Calvin cycle usa 18 ATP e 12 NADPH per 1 mole di glucosio; ciclo completa richiede sei giri.
• Osmosi e turgore: tonoplasto regola contenuto idrico; pressione di turgore essenziale per distensione cellulare.
• Cicli biogeochimici principali: carbonio, fosforo, azoto; ruolo di rizobatteri, micorrize, decomposizione.

NOTE DI RICAPITOLAZIONE RAPIDA

• Piante come produttori: energia solare → glucosio; ossigeno prodotto dalle piante durante la fotosintesi.
• Fototropismo gravitropismo e ruolo degli ormoni (auxina) nel guidare crescita e direzione.
• Diversità dei tessuti vegetali: meristemi vs tessuti adulti; xilema vs floema; parete cellulare primaria/secondaria.
• Importanza delle piante medicinali e dei metaboliti secondari: alcaloidi, fenoli, terpeni; fitocomplessi.
• Tecniche di biotecnologia vegetale: colture in vitro, trasformazione genetica, CRISPR-Cas9.