LA CELLULA VEGETALE Quasi tutti gli esseri viventi possiedono un carattere comune che è quello di essere formati di elementi microscopici chiamati cellule. Le cellule costituiscono quindi le pietre elementari di qualsiasi individuo. Furono osservate per la prima volta da Roberto Hooke nel 1667 nel sughero da tappi e furono chiamate cellule da cella perchè simili alle cellette dei favi delle api. La loro forma è molto varia; possono essere poliedriche, filiformi, stellate ecc. La cellula vegetale è protetta da un involucro più o meno spesso e rigido detto parete cellulare formata da cellulosa, che manca nelle cellule animali. All interno della parete cellulare rigida si trova la membrana cellulare, formata, come tutte le membrane, da un doppio strato fosfolipidico. 1
La parete cellulare La parete si distingue in due parti: la parete comune e la parete primaria. La parete comune è la così detta lamella mediana. Questa lamella è formata da pectati di Calcio e Magnesio, polimeri di carboidrati a sei atomi di carbonio, con un grado di polimerizzazione inferiore a quello della cellulosa, che si salificano precocemente con gli ioni Calcio e Magnesio (Schema della struttura della parete di una cellula adulta) 2 del citoplasma, formando un sale resistente e insolubile. Questa lamella segna il confine fra due cellule figlie ed è comune ad ambedue; compare all equatore del fuso mitotico quando la cellula si riproduce e contemporaneamente si inizia, ai lati di essa, la deposizione della parete primaria delle due cellule figlie, sottoforma di fibrille di cellulosa. La lamella mediana nelle cellule più vecchie si lignifica. Gli animali e le piante superiori non hanno enzimi capaci di demolire la cellulosa; essa viene invece demolita da funghi e da batteri. Solo i ruminanti, ospitando nel loro apparato digerente dei batteri, possono
scinderla e utilizzarla. Nella parete primaria si trovano delle proteine che contengono un aminoacido piuttosto raro, l idrossiprolina. All interno della parete primaria, quando ormai la cellula non cresce più, comincia la deposizione della della parete secondaria. La parete secondaria è formata da due o tre strati ben organizzati e distinguibili al microscopio elettronico (vedi schema fig. 25: S1, S2, S3). Questa parete è la più ricca di cellulosa. La membrana cellulare La membrana plasmatica costituisce la superficie esterna flessibile della cellula, separando il suo ambiente interno dall ambiente esterno. Si tratta di una barriera selettiva che regola il flusso di materiale in entrata e in uscita dalla cellula. La sua selettività aiuta a stabilire e mantenere l ambiente adatto allo svolgimento delle normali attività cellulari. La membrana plasmatica svolge anche un ruolo importante nella comunicazione fra cellule diverse e fra cellule diverse e fra le cellule e l ambiente che le circonda: la linfa. Questa membrana plasmatica (vedi figura) è costituita da un doppio strato lipidico, due strati appaiati e opposti di tre tipi di molecole lipidiche: i 3
fosfolipidi, molecole di colesterolo e glicolipidi che sporgono nella linfa. Alcune proteine (specie di ovuli nella figura) fluttuano liberamente in questo mare di lipidi. I lipidi di membrana permettono il passaggio di numerose molecole liposolubili, ma si comportano come una barriera per l entrata e l uscita di sostanze elettricamente cariche o polari. Nello schema riportato, i fosfolipidi sono rappresentati da una testa rossa e due propaggini verdi. In realtà, chimicamente, sono formati da una molecola di glicerolo che si combina con due molecole di acidi grassi e una molecola di fosfato. Gli acidi grassi sono l acido oleico con un doppio legame nella sua struttura, o da acido linoleico con due doppi legami, o da acido linolenico con tre doppi legami. Questi doppi legami sono importanti perchè conferiscono alla struttura della membrana maggior flessibilità ( ginocchia ) e quindi maggior possibilità di accogliere proteine e colesterolo. Le due code di acidi grassi sono idrofobe e quindi tendono a legarsi fra loro, mentre il fosfato è idrofilo e si lega con l acqua sia all interno che 4
all esterno della membrana cellulare. Gli acidi grassi meno insaturi sono l oleico che forma l olio di oliva e l olio di arachidi, mentre gli oli di semi come l olio di mais e di girasole contengono acidi grassi polinsaturi. Gli acidi grassi poli insaturi sono conosciuti anche con il nome di omega tre. Per cuocere o per friggere è bene utilizzare oli poco insaturi come l olio di arachide. La funzione delle proteine di membrana è quella di formare dei pori per far passare le molecole ioniche, e per facilitare lo scambio fra interno e esterno della cellula. Queste proteine svolgono un lavoro attivo nel catturare sostanze nutritive dal liquido interstiziale e trasportarle all interno della cellula. Il citoplasma Il citoplasma è la sostanza fondamentale della cellula. Al microscopio elettronico risulta formato da una sostanza granulare, di grandezza omogenea per ogni cellula, formata da un intreccio o impalcatura di sostanze proteiche (non riportate negli schemi) e di acqua; immersi in questa impalcatura non rigida, si trovano il nucleo e gli organuli 5
citoplasmatici (ribosomi, mitocondri, cloroplasti ecc.). Questa impalcatura proteica e acquosa, oscilla tra lo stato di sol e di gel, ed è chiamata sostanza fondamentale; quando queste proteine sono allo stato di sol sono imbevute di acqua e le reazioni chimiche possono avvenire liberamente. Quando per motivi patologici queste proteine perdono acqua disidratandosi, passano allo stato di gel: le reazioni chimiche non avvengono più e la cellula muore. Nel citoplasma si trovano acqua (almeno il 70%), sali minerali, glucidi, lipidi, protidi e aminoacidi dispersi in emulsione. In questa parte della cellula avvengono molte reazioni chimiche mediate da enzimi come la glicolisi. Organuli citoplasmatici Il reticolo endoplasmatico ruvido è formato da ribosomi che sono il luogo deputato alla sintesi proteica; queste proteine sono destinate all inserimento nella membrana plasmatica, alla costruzione dell impalcatura citoplasmatica o sono destinate alla fuoriuscita dalla cellula dei prodotti elaborati all interno. Alcuni ribosomi si localizzano anche all interno dei mitocondri, dove sintetizzano proteine mitocondriali. Questo reticolo ruvido si continua e avvolge la membrana nucleare. Le proteine che qui si formano possono essere convertite anche in glicoproteine e fosfolipidi. - Il reticolo endoplasmatico liscio è una rete di sacculi o tubuli delimitati da membrana che si estendono in tutto il citoplasma, e sintetizza acidi grassi e steroidi, come estrogeni e testosterone; inattiva o detossifica farmaci e altre sostanze potenzialmente dannose (nel fegato); rimuove il gruppo fosfato dal glucosio-6-fosfato; accumula e rilascia ioni calcio che inducono la contrazione nelle cellule muscolari. - L apparato del Golgi serve a trasportare le proteine prodotte dai ribosomi in altre parti della cellula. - I lisosomi sono vescicole circondate da membrana che si formano a partire dall apparato del Golgi. Contengono oltre 60 enzimi digestivi e idrolitici e possono distruggere la cellula una volta usciti nel citoplasma. Gli enzimi lisosomiali possono anche collaborare al riciclo di strutture ormai consumate dall uso. Un lisosoma può quindi incorporare un altro organello, digerirlo e riportare i componenti digeriti riutilizzabili nel citoplasma. In questo modo gli organelli usurati o danneggiati vengono continuamente sostituiti. Gli enzimi lisosomiali possono distruggere anche l intera cellula che li contiene in un processo definito autolisi. L autolisi avviene in alcune 6
condizioni patologiche ed è responsabile del deterioramento tissutale che ha luogo immediatamente dopo la morte. - I vacuoli sono cavità tipiche delle cellule vegetali. Derivano dall apparato del Golgi e hanno una membrana propria. Hanno funzione di accantonamento e di riserva. Nelle cellule vegetali il vacuolo contiene prevalentemente: ioni minerali (potassio, cloro, sodio, calcio, fosfato, nitrato, solfato) e sostanze idrosolubili (monosaccaridi, disaccaridi, e trisaccaridi); metaboliti secondari come alcaloidi (aconitina, papaverina, stricnina, morfina, caffeina, cocaina, nicotina, colchicina ecc.), terpeni, fenoli ecc. che sono superflui per la pianta, ma di grande utilità per la salute dell uomo; acidi organici (come citrico nel limone e malico nella mela), glucosidi cardiotonici della digitale, strofanto, scilla, mughetto, e tannini; pigmenti flavonoidi (antociani, flavoni e flavonoidi utilissimi per la salute dei capillari sanguigni). N e i v a c u o l i s i concentrano anche gli oli essenziali, grassi, proteine e zuccheri. -I mitocondri sono noti come le centrali energetiche della c e l l u l a, p o i c h è generano la maggior p a r t e d e l l AT P a t t r a v e r s o l a respirazione aerobica ( c h e r i c h i e d e o s s i g e n o ). U n a cellula può avere centinaia o migliaia d i m i t o c o n d r i a seconda della sua attività. Cellule attive c o m e q u e l l e d e i muscoli, del fegato e d e i r e n i, c h e consumano ATP in g r a n d i q u a n t i t à, hanno un numero 7
elevato di mitocondri. Un mitocondrio è costituito da una membrana mitocondriale esterna e da una membrana mitocondriale interna; entrambe le membrane hanno una struttura simile alla membrana plasmatica. La membrana mitocondriale interna forma dei ripiegamenti a cresta. La cavità centrale del mitocondrio è definita matrice. Le complesse pieghe delle creste garantiscono una enorme superficie a disposizione per le reazioni chimiche che partecipano alla fase aerobica della respirazione cellulare, le reazioni che producono la maggior parte dell ATP cellulare. I mitocondri si possono duplicare, processo che si verifica durante la divisione cellulare. La sintesi di alcune delle proteine necessarie per le funzioni mitocondriali avviene sui ribosomi presenti nella matrice mitocondriale. In questi organuli, come prodotti di scarto del loro metabolismo, si producono la maggior parte dei radicali liberi che tanti danni producono alla salute dell uomo, della cellula stessa e quindi dell intero organismo. Per combattere queste molecole altamente reattive affamate di elettroni, è necessario mangiare degli antiossidanti ricchi in elettroni come i frutti di bosco e il limone e soprattutto bere acqua ionizzata basica (vedere nella nostra home page alla sezione l acqua della salute in immagini ). 8
LA FOTOSINTESI Tutta l energia consumata dai sistemi biologici deriva dall energia solare catturata dalla clorofilla con il processo della fotosintesi nei cloroplasti. Le piante verdi costituiscono la principale sorgente di sostanza organica per gli animali e per l uomo, i quali sono incapaci di operare la sintesi di zuccheri, grassi e proteine a partire da composti inorganici semplici come acqua e anidride carbonica. Possiamo quindi dire che l uomo dipende, per quanto riguarda la vita fisica, da un Regno vegetale in piena attività. Le piante possono essere considerate organismi essenzialmente anabolici, dal momento che trasformano composti a basso contenuto energetico in 9
composti ad alto contenuto di energia chimica, a spese dell energia radiante solare. Al contrario, gli animali e l uomo sono organismi catabolici, vivendo a spese dell energia chimica accumulata nei composti organici, direttamente o indirettamente, di origine vegetale. Le piante verdi, tuttavia, dipendono, a loro volta, da altri esseri viventi per la formazione di composti azotati come le proteine, non potendo utilizzare a tale scopo l azoto atmosferico. Questi organismi simbionti sono gli azotobatteri presenti soprattutto nelle radici delle leguminose. La fotosintesi avviene nei cloroplasti, che sono organelli specializzati del citoplasma, e si trovano solo nelle piante. Da questo disegno schematizzato dei cloroplasti, si possono notare in giallo la membrana esterna dell organulo, formata come abbiamo visto da un doppio strato di molecole lipidiche, e da una membrana interna da cui originano i tilacoidi impilati in grani contenenti clorofilla. Nella fase diurna, la clorofilla assorbe energia luminosa che le serve per operare la fotolisi dell acqua, i cui elettroni entrano nel ciclo per essere trasformati in composti ad alto potenziale energetico (ATP, NADPH). Contemporaneamente si ha liberazione di ossigeno. Nella fase notturna in cui le clorofille non possono catturare energia solare, con l energia accumulata di giorno, ATP, avviene la costruzione degli zuccheri a partire da anidride carbonica (ciclo di Calvin). 10