Biologia vegetale applicata - Appunti

Biologia Vegetale Applicata

corso di Scienze Ambientali di Catania

2° anno, 1° semestre

prof. Lo Giudice

PIANTE ALIMENTARI E PIANTE MEDICINALI

Caratteristiche delle piante che hanno dato origine all’agricoltura

Le piante progenitrici di quelle coltivate erano piante che si adattavano ad ambienti

aperti, disturbati e instabili, con terreni spogli e scarsa concorrenza con altre specie.

Le aree dove si diede inizio all’agricoltura avevano determinate caratteristiche:

pressione demografica, clima piuttosto caldo e piovoso, periodiche inondazioni dei fiumi

con deposizione di limo fertilizzante.

Questi aspetti si trovano in Egitto, Mesopotamia. India settentrionale e lungo alcuni

fiumi della Cina

In questa aree l’inizio dell’agricoltura determinò profondi cambiamenti nelle strutture

socio-politiche che portarono alla formazione delle grandi civiltà del mondo antico.

Le prime colture furono quelle dei cereali e dei legumi. Le piante agricole furono

per l’elevato contenuto in

utilizzate per la facilità di raccolta e conservazione dei semi,

amido (cereali) e in proteine (legumi)

Gli organismi in rapporto all’apporto di alimenti e alla loro utilizzazione, si suddividono

in autotrofi ed eterotrofi

I primi, rappresentati dai vegetali richiedono solo l’apporto di materiali inorganici come

anidride carbonica, acqua, azoto, sali minerali, dai quali essi, sfruttando l’energia

luminosa, possono sintetizzare i costituenti dei loro tessuti

Gli eterotrofi devono rifornirsi di materiali organici, ricchi di energia, definiti

genericamente cibi o alimenti

Gli alimenti sono di origine animale o vegetale, possono essere liquidi o solidi.

Gli alimenti plastici sono tutte quelle sostanze che partecipano alla sintesi della materia

cellulare (proteine, grassi, zuccheri, acqua, sali minerali)

Gli alimenti calorifici sono solo le proteine, i grassi, gli zuccheri

Indispensabili nella dieta sono le vitamine che non sono considerate né plastiche né

calorifiche

Gli alimenti vengono divisi, in base alla natura chimica in tre grandi classi

CARBOIDRATI

LIPIDI

PROTIDI

Carboidrati: possono essere solubili (zuccheri) o insolubili (amidi).

Sono presenti nei cereali, nella frutta, nella canna da zucchero, nelle barbabietole, nei

tuberi di patate etc. richiesta da un individuo in

Liberano 4,1kcal/g e forniscono da 1/3 a 2/3 dell’energia

condizioni normali

Lipidi: comprendono i grassi. La loro combustione libera 9,3 kcal/g. Gli alimenti più

ricchi di grasso sono: burro, olio, strutto, tuorlo d’uovo, molti formaggi, frutta secca etc.

Tra gli acidi grassi gli acidi linoleico (Vit. F) linolenico e arachidonico sono considerati

alimenti essenziali perché l’organismo non è in grado di sintetizzarli

Tra i grassi vegetali naturali: olio di oliva e di semi

Tra i grassi sintetici: margarina

Protidi: differiscono dai carboidrati e dai grassi per la presenza, nella loro molecola,

oltre a C, H, O, di azoto, zolfo e fosforo.

Le proteine forniscono il materiale per lo sviluppo dei tessuti. Entrano nella formazione

delle molecole degli enzimi e di alcuni ormoni. Hanno lo stesso potere calorico dei

carboidrati

Tutti gli alimenti naturali contengono proteine, in proporzione variabile: dall’1% di certi

frutti al 35-40% di semi di soia e di arachide

Gli alimenti di origine vegetale possono essere così classificati:

- Cereali e prodotti della loro lavorazione

- Ortaggi e frutta

- Zuccheri e loro derivati

- Oli e grassi vegetali

- Droghe e spezie

- Bevande alcoliche ed analcoliche

Piante alimentari

- Cereali (frumento, mais, riso, orzo, segale, avena)

- Piante saccarifere (canna da zucchero, barbabietola da zucchero)

Piante oleaginose (frutti dell’olivo e palma; semi del cocco, cacao, arachide, mais,

-

girasole, soja, colza etc.)

- Piante da bevanda che possono essere suddivise in

1. Nutritive, succhi e spremute (arance, limoni, pomodori ecc.) forniscono vitamine,

minerali e zuccheri.

2. Fermentate, ottenute per fermentazione di qualsiasi sostanza che contiene zuccheri:

vino, birra, sidro etc.

3. Stimolanti, caffè, tè, cacao che agiscono sul sistema nervoso in vario grado. Le

sostanze più comuni che svolgono questa azione sono degli alcaloidi, molecole cicliche

azotate (caffeina, teobromina etc.)

- Le spezie

sono costituite da parti diverse di vegetali (radici, rizomi, cortecce, semi, frutti, gemme,

fiori etc) che per il loro contenuto in oli essenziali, in principi aromatici o in sostanze

resinose acri, si usano come condimento. Le spezie più importanti sono una cinquantina.

Secondo alcuni ricercatori, anche le erbe aromatiche sono da considerare delle spezie, la

sola differenza riguarda la loro provenienza: Le spezie sono di origine tropicale; Le erbe

sono proprie delle regioni temperate

Piante officinali

Sin dall’antichità gli uomini ricorrevano alle piante;

Già nel 4000-5000 a.C. i Cinesi usavano i vegetali come farmaci e tutta la medicina

dell’antichità si basa sull’uso delle piante.

Oggi è possibile conoscere l’esatta composizione chimica delle piante ed isolare i loro

principi attivi, e si è stabilita la correlazione esistente fra la struttura chimica e l’azione

fisiologica

Oggi nonostante si siano sintetizzate numerose sostanze artificiali il medicamento

vegetale è molto utilizzato

Il termine droga indica la parte della pianta (radice, fusto, corteccia, foglia, semi, ecc.)

contenente uno o più principi biologicamente attivi.

Tra le droghe ricordiamo:

- le gomme come la gomma arabica che si ottiene incidendo il fusto di una Acacia ed ha

proprietà antidiarroiche

i latici, come l’oppio, ottenuto dalle capsule del Papaver somniferum

-

- i tannini, quali quelli della china, del rabarbaro, con proprietà astringenti

- Gli oli essenziali, estratti da specie della famiglia delle labiatae, da agrumi etc. usati in

farmacia come stimolanti e antisettici

- gli alcaloidi che sono tra le sostanze più attive farmacologicamente (morfina, stricnina,

etc.

- i glucosidi sostanze di varia natura che per scissione liberano zuccheri (digitalina,

amigdalina ecc.)

Oggi vengono riconosciute ufficialmente solo un centinaio di specie; esse sono elencate

nella Farmacopea Ufficiale di ogni nazione

METABOLITI SECONDARI

Storicamente i composti prodotti dalle piante sono stati indicati come metaboliti primari

e secondari

I metaboliti primari, per definizione sono molecole che si ritrovano in tutte le cellule

vegetali

Esempi di metaboliti primari: zuccheri semplici, gli amminoacidi, le proteine e gli acidi

nucleici.

I metaboliti secondari hanno una localizzazione limitata ad alcune parti della pianta.

I metaboliti secondari, una volta, creduti prodotti di rifiuto, sono ora considerati

importanti per la sopravvivenza e la propagazione della pianta che li produce

Molti metaboliti secondari agiscono come un segnale chimico che permette alla pianta di

rispondere agli attacchi dell’ambiente, altri agiscono come sostanze di difesa contro gli

erbivori, i patogeni e i competitori.

La sintesi dei metaboliti s. avviene in uno specifico organo, tessuto o cellula e in un

determinato stadio dello sviluppo della pianta. Alcuni di essi come le fitoalessine, sono

composti antimicrobici prodotti solo in seguito a una ferita. Talora sono sintetizzati in

una parte della pianta e conservati in un’altra

TRE CLASSI PRINCIPALI DI COMPOSTI SECONDARI: ALCALOIDI, I

TERPENOIDI, I COMPOSTI FENOLICI

ALCALOIDI (morfina, cocaina, caffeina, nicotina e atropina).

Sono composti che contengono azoto e tra le altre proprietà sono basici (alcalini)

Il primo alcaloide identificato nel 1806 è la morfina, presente nel papavero da oppio. La

morfina viene come analgesico, un uso eccessivo porta tossicodipendenza. Sino ad oggi

isolati quasi 10.000 alcaloidi (cocaina, nicotina, caffeina atropina ecc.)

La cocaina viene estratta da coca (Erythroxylum coca) un arbusto che cresce sulle

pendici Est delle Ande della Bolivia e del Perù.

L’uso abituale della cocaina e del “crack” suo derivato può anche portare alla morte.

Viene usato come anestetico per interventi agli occhi o come anestetico locale dai

dentisti. –

La caffeina, (Coffea arabica- caffè; Cammelia sinensis tè; Theobroma cacao- cacao)

agisce come eccitante. Le alte concentrazioni di caffeina presenti nelle plantule del caffè

sono altamente tossiche e letali sia per gli insetti che per i funghi

La caffeina rilasciata dalla plantula sembra che inibisca la germinazione di altri semi

posti vicini. Questo processo è chiamato allelopatia.

si ricava dalle foglie della pianta del tabacco (Nicotiana tabacum). E’ un

La nicotina

alcaloide altamente tossico. E’ sintetizzato nelle radici e successivamente trasportato

nelle foglie ove viene accumulato nei vacuoli La nicotina è un efficace deterrente contro

l’attacco degli erbivori e degli insetti

L’atropina estratta dall’ Hyoscyamus muticus e dall’Atropa belladonna è usata come

stimolante cardiaco, dilatante della pupilla, e come efficace antidoto contro

l’avvelenamento da alcuni gas nervini

TERPENOIDI (OLI ESSENZIALI, TASSOLO, GOMMA, GLICOSIDI CARDIACI

ECC.)

Terpenoidi, detti anche terpeni, sono la classe più abbondante di metaboliti secondari

(22. 000 Composti). L’idrocarburo isoprene (C5H8) è il terpene più semplice. Tutti i

terpenoidi possono essere classificati in base al numero di unità isopreniche

Una pianta può sintetizzare differenti terpenoidi. L’Isoprene, viene rilasciato dalle foglie

ed è responsabile in gran parte della foschia azzurrognola che in estate ricopre le aree

ricche di alberi. Non è chiaro perché le piante producano gradi quantità di isoprene. Le

emissioni sono maggiori nei giorni più caldi, probabilmente si tratta di una forma di

protezione

Oli essenziali: si tratta di monoterpeni e sesquiterpeni altamente volatili.

Nella menta grandi quantità di monoterpeni volatili (mentolo e mentone) sono

sintetizzati nei peli ghiandolari (tricomi).

Nella lavanda in cellule epidermiche con funzioni ghiandolari

Gli oli essenziali prodotti nelle foglie proteggono le piante dagli erbivori, funghi e

batteri.

Tassolo: merita una particolare attenzione per le sue proprietà antitumurali, riduce il

cancro alle ovaie e al seno. Una volta si ricavava dalla corteccia del tasso del Pacifico

(Taxus brevifolia), Da un albero vecchio di cento anni se ne possono ricavare solo 300

mg

Per il trattamento dei pazienti affetti da cancro, sarebbero necessari 250 Kg di taxolo

ogni anno cioè bisognerebbe decorticare 360.000 alberi.

È stata, negli ultimi anni, brevettata una emisintesi a partire dalle foglie del Taxus

baccata (tasso europeo) che consentono una produzione costante.

Il taxolo arresta la divisione cellulare e previene la migrazione delle cellule, impedendo

il diffondersi di metastasi cancerose

Gomma: il più grande terpenoide conosciuto è la gomma, costituita da molecole

contenenti da 400 a più di 100.000 unità isopreniche. La gomma è ottenuta dal latice di

una pianta tropicale (Hevea brasiliensis) della famiglia Euforbiacee. Da 1800 specie di

dicotiledoni si può ricavare gomma ma in quantitativo ridotto.

Dal latice di Hevea la gomma può costituire il 40/50%.

Il latice si ottiene tramite un’incisione a V nella corteccia.

Ogni pianta produce in media 2,7Kg di gomma l’anno.

Il comportamento elastico è dovuto al fatto che le lunghe catene polimeriche,

raggomitolate e distribuite a caso, vengono distorte durante la fase di estensione e

riassumono poi la loro forma come una molla non appena la trazione cessa

Glicosidi cardiaci: derivano dagli steroli, vengono usati in medicina per rallentare i

battiti cardiaci. Le piante di Digitale sono la fonte principale di glicosidi .

In specie della famiglia Apocynaceae i glicosidi rappresentano una difesa contro gli

erbivori. Alcuni insetti si sono adattati a queste tossine. Es. bruco della farfalla monarca

e la farfalla adulta si nutrono di Asplepias che contiene glicosidi. Questi li

proteggeranno dagli attacchi degli uccelli.

I TERPENOIDI svolgono una molteplicità di ruoli nelle piante: es. pigmenti

fotosintetici (carotenoidi), ormoni (gibberelline, acido abscissico).

COMPOSTI FENOLICI (FLAVONOIDI, TANNINI, LIGNINE, ACIDO

SALICILICO)

Fenoli: composti di vario tipo ma tutti con un gruppo ossidrilico (-OH) legato ad un

anello aromatico (anello a 6 atomi di C contenente tre doppi legami). Si possono

accumulare in varie parti delle piante,

Flavonoidi: pigmenti presenti nei vacuoli delle cellule. Meritano attenzione i flavonoidi

del vino rosso in quanto dovrebbero abbassare i livelli di colesterolo nel sangue. Studiati

circa 3000 flavonoidi che vengono divisi in classi, tra cui, le antocianine, che causano la

colorazione nelle piante. I pigmenti dei fiori possono agire come segnali visivi per insetti

ed uccelli impollinatori

Tannini: sono presenti nelle foglie di molte piante legnose, il loro sapore astringente li

rende repellenti as insetti , uccelli, animali superiori, etc.

Sono utilizzati nella concia delle pelli perché provocano la denaturazione delle proteine

della pelle e quindi la proteggono dall’attacco batterico.

Lignine: sono depositati sulla parete cellulare. Dopo la cellulosa è il composto più

abbondante sulla terra. La principale funzione della lignina è quella di conferire forza di

compressione e durezza alla parete cellulare.

Un ulteriore ruolo della lignina è quello della sua deposizione in risposta agli attacchi da

parte di funghi o comparsa di ferite

Acido salicilico: è il principio attivo dell’aspirina, è noto da tempo per le sue proprietà

analgesiche.

E’ stato scoperto dagli antichi Greci e dagli indigeni americani che lo ottenevano dalla

corteccia di salice

ALGHE E LORO UTILIZZAZZIONE

ALGHE AZZURRE (CYANOBACTERIOPHYTA) E LORO UTILIZZAZIONE

Sono alghe unicellulari o coloniali,avvolte di mucillagini

prive di flagelli

Sono Procarioti (sprovvisti di un vero nucleo, di plastidi, e di mitocondri)

Pigmenti = clorofilla a, carotenoidi, xantofille, ficobiline

Le Alghe azzurre

Sono autotrofe nei confronti

del C

Fissano l’azoto atmosferico

N2 diventa NH4

Sono organismi pionieri

Sono diffuse nelle acque dolci, salate e salmastre, sui terreni umidi o periodicamente

bagnati

Alghe azzurre

Alcune specie, vivono a temperature molto basse (acque e suoli antartici)

Altre vivono nelle sorgenti termali (tollerano anche una T di 85C°)

UTILIZZAZIONE DELLE ALGHE AZZURRE

l’azoto atmosferico sono state utilizzate come fertilizzanti

Per la capacità di organicare

in colture di riso

(50 kg ca. l’anno)

La specie più utilizzata Anabaena

Si fa largo uso della Cyanophytha Spirulina

come nutrimento in Asia, in Africa e nel Messico

La Spirulina platensis nei laghi salati (es. Ciad), viene essiccata e consumata mista ad

altri vegetali.

Anche utilizzata dai Fenicotteri

SPIRULINA

Composizione biochimica di Spirulina

Generalità sulle Alghe

Organismi Eucarioti, fotosintetici

Organismi molto diversi di struttura e dimensioni

Alghe unicellulari o di struttura complessa (da 2-3 micron a 60-70 m)

Habitat: ambienti acquatici, ma possono vivere anche in condizioni ambientali diverse

(ambiente subaereo, sulle foglie, nel terreno etc)

Si differenziano dai vegetali superiori soprattutto per la natura degli organi riproduttori

(sporocisti e gametocisti)

E’ difficile valutare l’importanza delle alghe nell’economia della natura

Negli ambienti acquatici esse sono alla base della catena alimentare, nei terreni sono

costituenti della flora del suolo.

Talora la loro crescita può diventare dannosa, ad es. per la produzione di tossine

velenose per i pesci o per un moltiplicazione eccessiva

Classe: Rhodophyceae, Alghe rosse

Sono prevalentemente marine, a morfologia variabile

Sono caratterizzate dalla presenza di plastidi (con clorofilla a e d e carotenoidi) colorati

in rosso da ficobiline: r-ficoeritrina, r-ficocianina, alloficocianina,

Il prodotto del metabolismo è l’ “amido delle Floridee”

Nella riproduzione, le spore e i gameti sono privi di flagelli

Classe: Phaeophyceae, Alghe brune

Comprendono alghe quasi esclusivamente marine

morfologia variabile

I plastidi contengono clorofilla a e c, carotenoidi e xantofille (soprattutto la fucoxantina

che dà il colore bruno a queste alghe)

Prodotti del metabolismo: mannitolo, laminarina

In alcune famiglie la parete cellulare è costituita da alginati e fucoidina

Presenza di spore e gameti con o senza flagelli

Classe: Chlorophyceae, Alghe verdi

Sono prevalentemente di acqua dolce (bentoniche o planctoniche)

a morfologia variabile (Alghe cellulari, filamentose, ramificate, fogliacee)

Plastidi di colore verde (clorofilla a e b) Caroteni, e xantofille

Prodotto di assimilazione: amido

Presenza di spore e gameti con flagelli o senza

Distribuzione delle alghe

Sono presenti in quasi tutti i biotopi anche se la maggior parte delle specie è legata

all’acqua

Fanno parte del Benthos se vivono ancorate sul fondo oppure del Plancton se sono

natanti

Il Fitobentos marino comprende quasi esclusivamente Alghe che appartengono in

prevalenza alle Phaeophyceae e Rhodophyceae

Le alghe bentoniche si estendona dalla zona costiera raggiunta dagli spruzzi di acqua

marina sino al massimo di profondità dove è ancora possibile la fotosintesi (200 m)

Il Fitoclancton è formato prevalentemente da Diatomee e Dinoflagellate

Vivono prevalentemente negli strati superiori più illuminati

In un litro d’acqua marina ca. 100.000 organismi planctonici

Nel Benthos di acqua dolce prevalgono generalmente le Fanerogame

La composizione specifica del Plancton di acqua dolce &egr