La cellula vegetale è la cellula presente negli organismi che appartengono al regno delle piante. Fa parte della classe delle cellule eucariotiche, differenziandosi morfologicamente dalle cellule eucariotiche animali a causa della presenza di alcune strutture endocellulari (organuli) peculiari e per l'apposizione esterna di una parete cellulare. Rispetto alle cellule procariotiche, l'eucariotica vegetale, presenta una differente morfologia - che deriva in larga misura dall'assenza degli organuli nelle cellule procariotiche - e un differente sistema di "conservazione" dell'informazione genetica all'interno della molecola del DNA.
Le diverse caratteristiche morfologiche, specialmente rilevate nella presenza/assenza di organuli, portano la cellula eucariotica ad essere diversamente specializzata nel metabolismo. Le cellule vegetali altamente specializzate, ad esempio, operano la fotosintesi clorofilliana grazie alla presenza di alcuni organuli adibiti ai processi fotosintetici. L'assenza di questi organuli nelle cellule animali impedisce, di fatto, l'attivazione dei percorsi biochimici di fotosintesi.
Struttura della cellula vegetale
Struttura interna
L'interno della cellula vegetale è separato dall'esterno dal plasmalemma (o membrana cellulare) e dalla parete cellulare. All'interno della cellula è presente una soluzione acquosa chiamata citoplasma nella quale sono immersi gli organuli, gli elementi del citoscheletro e la fitta matrice del reticolo endoplasmatico.
La maggior parte delle cellule, durante la loro vita, si differenziano in cellule specializzate attraverso una serie di cambiamenti morfologici e funzionali. Per questa ragione, tutte le cellule non differenziate presentano lo stesso tipo di organuli citoplasmatici e una morfologia esterna pressapoco simile. Nelle fasi terminali, quando la differenziazione è terminata, la struttura interna cellulare può variare di molto. Ad esempio, una cellula che fa parte della radice ha una morfologia esterna ed una presenza di organuli differente da una cellula che è presente nella foglia.
Membrana plasmatica
La membrana plasmatica o membrana cellulare della cellula vegetale eucariotica presenta molte invaginazioni. Ha il compito di mediare il trasporto di sostanze e molecole dall'interno della cellula verso l'esterno e viceversa garantendo una differente composizione dei due compartimenti. La presenza di differenti concentrazioni di molecole oppure ioni tra l'esterno e l'interno della cellula è garantita dalla membrana cellulare.
Membrana cellulare. In evidenza le proteine intrinseche ed estrinseche, i canali e le molecole di colesterolo. I due foglietti sono formati da molecole ordinate di fosfolipidi.
La particolarità della membrana plasmatica vegetale risiede nel fatto che è essa a coordinare i vari processi di costruzione della cellulosa, elemento indispensabile per la cellula stessa. Strutturalmente la membrana plasmatica appare costituita da tre strati: scuro-chiaro-scuro. Per quanto riguarda la composizione chimica, nella membrana, si rilevano molecole a carattere fosfolipidico disposte in un doppio strato, con annesse proteine, e vari elementi tra i quali i glucidi e le glicoproteine.
Trasportatori di membrana
La membrana cellulare ospita trasportatori di natura proteica che hanno il compito di mediare il passaggio attivo o passivo di molelecole dallo spazio extracellulare al citoplasma e viceversa. Normalmente, la membrana cellulare è permeabile a piccoli ioni ma blocca selettivamente il passaggio di molecole di più grande dimensione. I trasportatori permettono il passaggio di queste molecole e, alcuni di essi, garantiscono il transito anche quando la concentrazione della molecola è superiore nel versante di approdo.
Passaggio di molecole attraverso la membrana
Le molecole sono trasportate in modo passivo, senza l'utilizzo d'energia, oppure in modo attivo, utilizzando energia sotto forma di ATP o GTP.
- Trasporto passivo. Non richiede energia e possono trasportare ioni o molecole, in genere in ambedue i sensi.
- Diffusione facilitata. Avviene sempre secondo gradiente di concentrazione: le molecole passano da una zona ad alta concentrazione verso una zona a bassa concentrazione, attraverso proteine o canali che permettono il transito.
- Osmosi. Il fenomeno dell'osmosi avviene attraverso il passaggio di piccoli ioni mediante una membrana semipermeabile.
- Trasporto attivo. Il trasporto attivo richiede energia, normalmente fornita dall'ATP o dal GTP. Permette di trasportare molecole contro il gradiente di concentrazione, rendendo possibile il passaggio da zone a bassa concentrazione verso zone ad alta concentrazione.
Parete cellulare
Le cellule delle piante possiedono una parete cellulare formata da cellulosa, un polimero simile all'amido ma con una conformazione chimica diversa. La cellulosa conferisce alla cellula rigidità permettendole di resistere a sollecitazioni meccaniche e garantendo un ulteriore protezione dall'attacco di agenti esterni. La parete cellulare, sotto questo punto di vista, ha un attivo ruolo di difesa.
La parete cellulare avvolge la membrana cellulare con la quale è strettamente in aderenza.
La parete cellulare delle cellule vegetale è interrotta da minuscoli pori che garantiscono il passaggio di molecole e soluti altrimenti inaccessibili dalla cellula. L'accrescimento della parete avviene dall'esterno verso l'interno senza mai penetrare la membrana cellulare; in questo modo è possibile definire la parete cellulare come un guscio esterno rispetto alla membrana cellulare.
Organuli
Gli organuli della cellula vegetale assolvono differenti e specializzate funzioni. Ciascun organulo è immerso in una matrice acquosa che prende il nome di citoplasma. La posizione degli organuli, all'interno del citoplasma non è fissa o stabile. Gli elementi che determinano lo spostamento degli organuli, attraverso il fenomeno conosciuto come corrente citoplasmatica, sono i seguenti:
- Ciclo cellulare. Durante le varie fasi del ciclo cellulare, gli organuli possono essere più o meno vincolati all'interno del citoplasma. Ad esempio, nella telofase della meiosi, gli organuli sono presenti in posizione eccentrica per permettere alla cellula di iniziare la divisione del citoplasma o citodieresi.
- Età cellulare. I vacuoli, con l'avanzare del tempo, tendono ad occupare lo spazio citoplasmatico comprimendo - di fatto - gli altri organuli e limitandone la mobilità. Una cellula anziana possiede un vacuolo talmente grande da occupare oltre il 90% dello spazio citoplasmatico disponibile.
- Specializzazione. La specializzazione delle cellule, in alcuni casi, "promuove" alcuni organuli che, per questa ragione, possono comprimere gli altri in uno spazio minore. Cellula ad elevata attività di sintesi, ad esempio, possiedono un reticolo endoplasmatico molto sviluppato e un pool di organuli del Golgi molto compatto.
Nucleo
Il nucleo è ben separato dal citoplasma attraverso un involucro nucleare. All'interno del nucleo è presente l'informazione genetica, codificata nella molecola di DNA. L'involucro è spesso interrotto da alcune, minuscole, crepe che prendono il nome di pori nucleari.
L'analisi approfondita del nucleo rivela una grande presenza di cromatina, formata dall'unione di DNA con delle proteine specifiche; nelle fasi avanzate della riproduzione la cromatina si condensa in strutture che prendono il nome di cromosomi.
In base al numero di cromosomi si distinguono cellule aploidi, cellule riproduttive con metà dei cromosomi totali, e cellule diploidi o cellule somatiche che possiedono il doppio dei cromosomi totali.
Nucleolo
Il nucleolo è una struttura presente all'interno del nucleo che non opera divisione (nucleo in interfase). È costituito da un grande quantitativo di proteine e da una esigua parte di RNA.
Plastidi
I plastidi sono presenti unicamente nelle cellule vegetali ed hanno differenti morfologie e funzioni. Si suddividono in:
- Cloroplasti. I cloroplasti sono i plastidi fondamentali in quanto operano la fotosintesi. Sono costituiti da una doppia membrana lipoproteica che contiene una matrice amorfa e ricca di enzimi chiamata stroma. All'interno dei cloroplasti sono presenti i tilacoidi, che spesso formano delle pile e vengono definiti grani. Alla membrana dei tilacoidi sono associate delle molecole di clorofilla.
- Cromoplasti. Il cromoplasto è un plastidio che non presenta clorofilla ma possiede pigmenti carotenoidi.
- Leucoplasti. Il leucoplasto non presenta colore e, generalmente, è specializzato nella sintesi di amido (amiloplasto).
- Proplastidi. Un proplastidio è il precursore dei plastidi. Presenta molte analogie con le cellule staminali in quanto, da un proplastidio, possono generarsi i diversi plastidi della pianta. L'assenza di luce, nell'organulo, determina la formazione di un corpo prolamellare che è definito ezioplasto.
Mitocondri
I mitocondri sono organelli formati da due membrane. La membrana interna, o cresta, possiede molti enzimi associati ed è caratteristica per la presenza di numerose invaginazioni. Il mitocondrio opera la biosintesi di energia chimica, accumulata nella molecola di ATP, in un processo meglio noto come respirazione cellulare.
Vacuoli
I vacuoli sono delle formazioni sacciformi contenenti soluzioni acquose di varia natura. La membrana esterna del vacuolo prende il nome di tonoplasto e permette una selezione delle molecole trasportate. La differente capacità di trasporto molecolare rende possibile una differente concentrazione di molecole all'interno del vacuolo rispetto all'esterno. I vacuoli aumentano la propria dimensione con il tempo e - nelle cellule adulte - arrivano ad occupare il 90% dello spazio. I vacuoli contengono, solitamente, forti concentrazioni di pigmenti, questa particolarità la si osserva nel colore particolarmente acceso delle foglie.
Ribosomi
I ribosomi rappresentano degli agglomerati di RNA (una molecola simile al DNA). Nei ribosomi avviene la sintesi proteica attraverso l'assemblaggio degli aminoacidi che sono i precursori delle proteine.
Reticolo endoplasmatico
Esistono due tipi di reticolo endoplasmatico: liscio (REL) e ruvidio (RER). Nel reticolo endoplasmatico liscio sono assenti i ribosomi e tale complesso secerne esclusivamente lipidi. Il reticolo endoplasmatico ruvido, invece, presenta molti ribosomi ed ha una spiccata attivata di sintesi proteica.
Ambedue reticoli sono formati da una fitta rete di membrane molto simili ad un sistema di canali. Nel reticolo, grazie alle sue peculiarità, è possibile il trasporto di molecole.
Differenze tra cellula vegetale, cellula animale e cellula procariotica
La diversità cellulare, morfologica e biochimica, tra le cellule vegetali, animali e procariotiche, è alla base della specializzazione cellulare. Cellule diverse, non solo dal mero punto di vista morfologico, possono operare percorsi biochimici molto differenti rendendo, a cascata, i tessuti, gli organi e l'intero esemplare potenzialmente capace di operare un metabolismo pecularie in termini di resa e di percorsi metabolici.
Cellula vegetale, cellula animale e cellula procariotica a confronto.
| |
Cellula vegetale |
Cellula animale |
Cellula procariotica |
|---|
| Informazione genetica |
DNA lineare (più cromosomi) |
DNA lineare (più cromosomi) |
DNA circolare (singolo cromosoma) |
| Organuli |
✔ Presenti |
✔ Presenti |
X Assenti |
| Vacuoli |
✔ Presenti |
X Assenti |
X Assenti |
| Cloroplasti |
✔ Presenti |
X Assenti |
X Assenti |
| Nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico, citoscheletro |
✔ Presenti |
✔ Presenti |
X Assenti |
| Parete cellulare |
✔ Presente (cellulosa) |
X Assente |
✔ Presente (peptidoglicano) |
Differenze metaboliche
Ecologia: organismi produttori e consumatori
L'
ecosistema è un ambiente altamente organizzato dove coesistono diversi organismi. La presenza di vita, sotto forma di organismi autotrofi ed eterotrofi, classifica i viventi in produttori e consumatori. Le piante, operando la fotosintesi, fanno parte dei produttori mentre gli animali "consumano" le risorse prodotte dalle piante nel loro ciclo vitale. Il sistema di produzione e di consumo fa parte di un grande ciclo nel quale avviene un costante trasferimento di energia. L'energia solare è trasformata in energia chimica, attraverso la biosintesi di molecole ad alto contenuto energetico. Le molecole hanno, senza dubbio, un ruolo attivo nella biologia delle piante ma servono per nutrire i consumatori primari, sinteticamente identificati come gli erbivori. La specializzazione, e la capacità di operare un metabolismo peculiare, della cellula vegetale rende possibile il passaggio fondamentale di trasformazione dell'energia in energia biochimica.
Il metabolismo delle cellule vegetali specializzate diverge dal metabolismo delle cellule animali. Il principale punto di distacco tra le due classi cellulari riguarda la strategia adottata per la trasformazione e l'accumulo di energia. Le cellule vegetali, attraverso un
pool di organuli altamente specializzati opera un processo di trasformazione dell'energia solare in un gradiente elettrochimico, atraverso la
fotosintesi clorofilliana. La genesi del gradiente elettrochimico, serve come fonte per la biosintesi di glucidi ad alto valore energetico (specialmente appartenenti alla classe degli
amidi).
La capacità di trasformare l'energia solare, per mezzo della radiazione luminosa, in molecole ad alto contenuto energetico rende le piante organismi autosufficienti e rappresenta il primo punto di divergenza tra il metabolismo vegetale e quello animale.
Le piante, per la loro capacità di produzione di produzione di risorse energetiche, sono organismi autotrofi, capaci di "procurarsi da sé le risorse bionergetiche". Gli animali, invece, sono organismi eterotrofi poiché adottano un tipo di metabolismo diverso. Gli animali, difatti, demoliscono (attraverso il catabolismo) molecole energetiche introdotte attraverso le strategie di alimentazione.
Le piante ed i batteri, inoltre, possiedono una via catabolica sconosciuta agli animali: il ciclo del gliossilato. Attraverso le fasi del ciclo di gliossilato è possibile la gluconeogenesi attraverso la demolizione dei lipidi.
Introduzione alla biologia vegetale: Caratteristiche delle piante. Cellula vegetale, tessuto vegetale, meristema, fasci conduttori (floema e xilema), epidermide.
Organi della pianta: Radice, fusto, foglia.
Riproduzione delle piante: Riproduzione asessuata delle piante, ciclo aplodiplonte. Fiore, infiorescenza. Seme e frutto.
Fotosintesi clorofilliana: (fase oscura della fotosintesi, fase luminosa della fotosintesi), ciclo di Calvin, ciclo C4.
Evoluzione delle piante.
Suolo
Botanica sistematica
Briofite:
Epatiche,
antocerote ,
muschi.
Crittogame vascolari (Felci o pteridofite):
Licofite,
psilofite ,
sfenofite.
Gimnosperme: Cicadofite,
ginkgofite,
conifere,
gnetofite
Angiosperme: Poaceae, solanaceae, Leguminaceae, asteraceae, papaveraceae, rosaceae, crucifere, ombrellifere, liliaceae. :
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