Biologia vegetale e botanica farmaceutica

Biologia vegetale e classificazione

• Cecità delle piante
• Numero di geni maggiore rispetto agli uomini
• 260000 specie di piante -> fotosintesi
• Biologia -> studio della vita
• Differenze fra vegetale ed oggetto:
  • Riproduzione
  • Crescita e sviluppo
  • Trasformazione dell’energia (sistemi aperti termodinamicamente)
  • Codificare le informazioni (genoma che ha come unità di base il gene)
  • Costituzione cellulare (cellule)
  • Organizzazione (cooperazione di cellule, tessuti, organi e sistemi)
  • Reazione agli stimoli
  • Autoregolazione
  • Adattamento popolazione formata da individui diversi fra di loro
  • Variabilità genetica -> sopravvivenza ai cambiamenti ambientali (esempio delle falene che con l’inquinamento hanno cambiato il colore delle loro ali da bianche a nere per mimetizzarsi nelle cortecce di alberi scuri)
  • Modi di vivere, procurarsi ed usare l’energia adatti al nuovo ambiente
  • Evoluzione -> esprime che tutti gli esseri viventi siano discesi da un unico antenato (Darwin, selezione naturale)

Classificazione degli organismi viventi

• Classificazione degli organismi viventi:
  • Regno delle piante: Procarioti (0,1 - 10 µm)
  • Fotosintesi (cianobatteri/eubatteri) -> assorbono CO2 e rilasciano O2 e O3
  • Eucarioti (10 - 100 µm) -> origine degli organismi fotosintetici eucariotici:
    • Endosimbiosi primaria Origine ai plastidi -> molti gruppi di organismi fotosintetici:
      • Alghe brune (endosimbiosi 2ª con alga rossa)
      • Euglenoidi/euglenofite (endosimbiosi 2ª con alga verde)
    • Endosimbiosi secondaria Eucarioti pluricellulari -> pluricellularità evoluta nel regno dei protisti (evoluzione degli unicellulari, legati da libere aggregazioni coloniali di cellule interconnesse) -> differiscono dalle colonie perché hanno autonomia funzionale.
  • Unicellulari: attività all’interno della singola cellula
  • Pluricellulari: cellule specializzate che svolgono funzioni diverse e dipendenti l’una dall’altra (bioeventi fondamentali della storia della vita) -> vantaggi:
    • Sostituzione delle cellule (maggiore stabilità)
    • Differenziazione e specializzazione delle cellule
  • Alghe:
    • Rapido scambio gassoso
  • Emersione dall’acqua:
    • Maggiore disponibilità CO2
    • Possibile usare l’intero spettro solare senza azione schermante dell’acqua briofite:
    • Maggiore produttività e resa della fotosintesi -> cianobatteri e alghe con la loro fotosintesi saturarono le acque di O2 -> si sposta nell’atmosfera -> azione dei raggi solari e dell’O3 (schermante di UV) -> emersione dall’acqua delle piante
    • Migliori meccanismi riproduttivi (più è efficace e più ho nuove combinazioni):
      • Vince l’individuo con più proli
      • Più caratteri (forma e funzioni) adatti a un ambiente -> espressioni di combinazioni geniche -> processi di ricombinazione genetica (meiosi e gamia -> riproduzione sessuale)
  • Piante vascolari
  • Pteridofite
  • Gimnosperme
  • Angiosperme
• Organismi adattati all’ambiente terrestre tramite:
  • Cutina
  • Produzione lignina
  • Formazione stomi
  • Evoluzioni di radice, fusto e foglie

Organizzazione cellulare degli organismi pluricellulari

• Organizzazione cellulare degli organismi pluricellulari:
  • A tallo: cellule uguali con le stesse funzioni -> non distinguibili radici, fusti e foglie
  • A cromoide: transizione tra tallo e cromo, differenziazione dei tessuti -> si mettono in evidenza gli organi specializzati (filloidi, cauloidi e rizoidi)
  • A cromo: cellule differenziate per svolgere le funzioni -> piante superiori in cui sono distinguibili radici, fusti e foglie
• Piante a cromoide: (muschio) piccole e prive di sistema vascolare
• Talofite: (funghi, licheni) prive di radici, fusti e foglie
• Cromofite: (felci, gimnosperme) hanno il cromo -> struttura composta da radici, fusto e foglie
• Speciazione: formazione di una o più specie discendenti da una ancestrale (teoria evoluzionistica: continui cambiamenti dall’ambiente biotico e abiotico)
• Evoluzione filetica (anagenesi): di origine darwiniana
• Evoluzione ramificata (cladogenesi): modalità di speciativa più importante -> 3 cladi (organismi discesi da un singolo progenitore):
  • Cellula eucariotica fotosintetica:
    • Glaucofite: organismi di acqua dolce intermedie tra plastidi di cianobatteri e un’alga verde/rossa
    • Alghe rosse: micro e macro, diffuse in ambienti marini e dolci
    • Alghe verdi: micro e macro, diffuse in ambienti marini e dolci

Tassonomia e nomenclatura botanica

• Tassonomia: scienza che studia gli organismi viventi per evidenziare le somiglianze e diversità -> riconoscimento per dare classificazione: (nomenclatura botanica)
  • Distinguere per le differenze
  • Unire per le somiglianze
• Carl Linnaeus -> nomenclatura binomia (binomio latino), formalizzò la Species plantarum: Hibiscus palustris L.
  • Genere: unico, ad ogni nome Autore corrisponde un solo genere (lettera maiuscola)
  • Specie: utilizzato per piante diverse (lettera minuscola)
  • Non sempre è sufficiente il solo binomio, var. = varietà (amara, dulce), ssp. = sottospecie (perforatum, angustifolium), -> x = ibrido, spp. = specie plurime Mentha x piperita Origano:
  • Greco: ssp. (Boiss.) Hayak Origanum vulgare L. viride
  • Spagnolo: (L.) Hoff. e Link. Coridothymus capitatus
  • Messicano: HBK Lippia graveolens
  • Turco: Origanum onites L.

La cellula vegetale

• La cellula vegetale -> apparente staticità ma invece sono unità dinamiche:
  • Seguono i raggi solari ed espongono i cloroplasti per la fotosintesi
  • Rispondono alla gravità crescendo sempre verso l’alto
  • Tigmotropismo -> rispondono ad un oggetto solido arrampicandosi
• Uguaglianze tra vegetali ed animali:
  • Il fatto che si riproducano
  • Organizzazione cellulare complessa, organizzata ed integrata
  • Necessitano di energia dall’esterno e la trasformano. Nell’animale è associato alla proliferazione di cellule
• Differenze tra cellula vegetale ed animale:
  • Dimensioni: di media 100 µm -> aumento di dimensioni di un organo (accrescimento delle singole cellule)
  • Metabolismo: attività nell’organismo a seguito di reazioni chimiche -> trasformazioni della materia -> vie metaboliche catalizzate da enzimi -> metabolismo di livelli 2
  • Catabolismo: reazioni di demolizione di sostanze organiche
  • Anabolismo: reazioni di sintesi di nuove sostanze organiche
  • Animali -> eterotrofi
  • Vegetali -> autotrofi -> immobilità:
    • Maggiore capacità di adattamento
    • Minore complessità anatomica
    • Sviluppo vegetativo per meritismo
    • Sviluppo di armi da difesa
  • Metaboliti 1º: indispensabili al funzionamento del metabolismo e ci sono in tutte le cellule
  • Metaboliti 2ª/speciali: derivati dai metaboliti intermedi tramite vie enzimatiche; specifiche per famiglia, genere o specie a cui appartiene la pianta; necessari per lo sviluppo dell’organismo vegetativo ma non per la cellula
  • Inizialmente si pensava fossero prodotti di scarto, oggi importanti
  • No funzione diretta crescita e sviluppo
  • Distribuzione limitata in una famiglia, genere o specie
  • Sintetizzati dai metaboliti 1º
  • Presenti in basse concentrazioni o in alcuni momenti del ciclo
  • Funzioni:
    • Protegge dagli erbivori
    • Inibisce i patogeni (funghi e batteri)
    • Inibisce la crescita di altre piante
  • Sostanze organiche: C, H, O, N, S e P
  • Attrae impollinatori
  • Attrae animali che disperdono i semi
  • Gruppi funzionali: numero e disposizione determinano le proprietà della molecola

Metabolismo secondario e difesa

• Finalità del metabolismo 2ª:
  • Auto regolazione -> ormonale e protezione da stress
  • Comunicazione -> con stesse specie tramite feromoni, con specie diverse tramite allomoni
  • 3 strategie di difesa contro i patogeni ed erbivori: (citronella)
    • 1. Accumulo costitutivo composti di difesa
    • 2. Accumulo costitutivo composti preformati ed enzimi di accensione separati tramite compartimentazione spaziale
    • 3. Formazione indotta dai composti di difesa in risposta ad un fattore abiotico o biotico
  • Oligosaccarine (OLS) -> catene corte zuccherine che a basse concentrazioni promuovono risposte specifiche nei vegetali, alcune stimolano crescita e sviluppo, ma anche risposte all’attacco dei patogeni (molecole segnale)
  • Metaboliti 2ª -> sostanze di difesa -> influenzano l’erbivoro o microrganismo in modo negativo:
    • Mimano un ormone e neurotrasmettitore
    • Inibiscono sintesi proteine, alterano le membrane o sintesi DNA/RNA
  • Evoluzione strutturale -> metaboliti 2ª agenti terapeutici -> chemotassonomia:
    • Profilo chimico di una pianta -> mezzo di classificazione Utilizzata come approccio complementare agli studi del DNA
    • Molecole utili per risolvere problemi di ordine tassonomico per classificare specie vegetali, poiché solitamente sono classificate tramite dati morfologici (classificazione dell’uva in Veneto in base al contenuto di polifenoli)

Macromolecole

• Macromolecole (polimeri):
  • Carboidrati/glucidi: (carragenina -> addensante ad uso alimentare E407 e farmaceutico -> per gastrite e problemi intestinali)
    • Energia -> polisaccaridi di riserva
    • Riconoscimento cellulare -> polisaccaridi di struttura
    • Usato per la sintesi di aminoacidi ed acidi grassi
  • Lipidi (scarsa solubilità nei solventi polari)
    • Energia
    • Componenti di membrane
    • Segnalazione cellulare
  • Gliceridi:
    • Trigliceridi/triacilgliceroli -> formati da:
      • Glicerolo (3 atomi di C)
      • Acidi grassi:
        • Lunghezza: corta, media, lunga, molto lunga
        • Saturi (no doppi legami) e insaturi (doppi legami) -> omega nella posizione dell’ultimo doppio legame a partire dalla fine
    • Fosfolipidi (2 comportamenti in acqua)
      • Glicerofosfolipidi
    • Steroidi (lipidi con scheletro C di 4 anelli fusi)
  • Proteine (costituite da polipeptidi formati da singoli aminoacidi), ha 4 livelli di strutture:
    • Enzimi: proteina con attività catalitica -> catalizzatore (accelera la velocità di reazione senza consumarsi), non interviene nella reazione ma la velocizza solo (abbassa energia di attivazione) e la facilita con l’interazione tra substrato e sito attivo = complesso, sono specifici per ogni reazione
    • Primaria -> sequenza aminoacidi, peculiare per ogni proteina
    • Secondaria -> ripiegamento catena dovuto a legami H tra -NH e -CO
    • Terziaria -> ripiegamenti dovuto a legami covalenti e deboli dei gruppi laterali
    • Quaternaria -> interazione fra più catene polipeptidiche
  • Acidi nucleici
• Fitoequivalenza: prodotto medicinale che è simile a un prodotto originale, stessa composizione quali- e quantitativa di componenti attivi, stessa formula farmaceutica e ha bioequivalenza (tachipirina/paracetamolo coop)

Membrana e parete cellulare

• Membrana: spessore < di 0,001 µm, fosfolipidi e proteine, poca resistenza meccanica e barriera chimica selettiva
• Parete cellulare: spessore 0,1 - 10 µm, polisaccaridi, proteine, composti fenolici, molta resistenza meccanica, barriera chimica poco selettiva
  • Tipica della cellula vegetale -> rigidità
  • Complessa struttura polimerica, continua e dinamica esternamente al plasmalemma
  • Composizione chimica, organizzazione e proprietà variano con crescita, differenziamento e sviluppo
  • Cellule dei tessuti hanno pareti caratteristiche che ne determinano le funzioni
  • Tra parete e citoplasma c’è scambio continuo di informazioni che determinano una corretta crescita e differenziazione della cellula (risposta condizioni ambientali)
• Funzioni della parete:
  • Mantiene la forma e grandezza
  • Forza meccanica -> sopporta pressioni e trazioni
  • Controllo velocità e direzione di accrescimento
  • Architettura della pianta -> struttura organi (protoplasti)
  • Controllo espansione -> bilancio idrico e pressione di turgore (sostiene)
  • Ruolo metabolico -> siti di attività enzimatica
  • Assorbimento, trasporto e secrezione di sostanze
  • Protezione da patogeni -> produzione molecole segnale -> riconoscimento del non self
  • Riduce perdita di acqua con modificazioni secondarie
  • Immagazzinamento sostanze di riserva

Struttura generale della parete

• Struttura generale della parete
  • Lamella mediana: (l’idrolisi parziale determina gli spazi intercellulari)
    • Strato più esterno
    • Cementa le pareti di cellule contigue
    • Costituita da sostanze pectiche e acqua
    • Spessore 0,1 µm
  • Parete primaria:
    • Formata da cellule di accrescimento
    • Cellulosa 25%, emicellulose 25%, sostanze pectiche 35%, proteine 1 - 8%
    • Spessore 0,1 - 1 µm
  • Nomenclatura polimeri di parete:
  • Parete secondaria:
    • Glicano: polimero di qualsiasi zucchero
    • Polimeri lineari:
      • Omopolimeri -> glucano (glucosio), xilano (xilosio), galattano (galattosio)
      • Eteropolimeri -> glucamannano (glucosio-mannosio), ramnogalatturonano (ramnosio-acido galatturonico)
    • Fra la primaria e la membrana plasmatica
    • Depositata dopo il completamento dell’espansione
    • Costituita da strati distinti
    • Polimeri ramificati: parte terminale del nome = catena principale, parte iniziale = catena laterale
    • Funge da supporto
    • Molta cellulosa e lignina
    • Xiloglucani (glucosio-xilosio), arabinoxilani (xilosio-arabinosio), glucuronoarabinoxilani (xilosio-acido glucoronico-arabinosio)
    • Contiene cutina, suberina e cere…

Componenti della parete

• Parete organizzata in:
  • Componente fibrillare (resistenza meccanica):
    • Cellulosa -> omopolimero lineare di residui di D-glucosio -> microfibrille di cellulosa:
      • Regioni cristalline: disposizione catene polimeri regolare, anidra e insolubile -> resistente ad enzimi e difficile da degradare
      • Regioni amorfe: disposizione catene polimeri irregolare
  • Componente matriciale:
    • Emicellulosa: diverse per stadio di sviluppo, tipo di cellula, specie o condizioni crescita
    • Xiloglucani: portano catene laterali, formati da 4 residui di glucosio. Si associano alla cellulosa tramite legami H tra xilosio e glucosio, residui laterali impediscono questo (più residui e meno aggregazioni)
    • Xilani: formati da residui di xilosio, possono essere sostituiti senza struttura ripetitiva di base, classificabili in base alla presenza di residui glicosidici laterali:
      • Arabinoxilano
      • Glucoronoarabinoxilano -> arabinosio può esterificarsi con un derivato dell’acido cinnamico -> facilita trasformazione di legami crociati tra polimeri di parete
      • 4 - o - metilglucoronoxilano
    • β - glucani: residui di glucosio con legami β - (1 - 4) e β - (1 - 3) -> conferisce struttura a zig zag impedendo strutture regolari di tipo fibrillare
    • A base di mannosio mannani:
      • Galattomannani -> catena costituita da mannosio
      • Glucomannani e galattoglucomannani -> catena costituita da mannosio e glucosio alternati (non ripetuti)
    • Callosio: glucano β (1 - 3), il legame conferisce struttura elicoidale
      • Funzioni strutturali nei plasmodesmi
      • Meccanismo di difesa
    • Pectine: polisaccaridi (complessi) con acido galatturonico (circa 70%), ramnosio, galattosio e arabinosio; presenti soprattutto nella lamella mediana (zone di adesione fra cellule), polimeri pectici:
      • Omogalatturonano: formato da acido pectico, polimerizzazione diversa in base al tipo di pianta, sintetizzati nel Golgi (forma metilata) e secreti dalla parete come pectine; poi demetilati per esterasi di parete in regioni specifiche e legate fra loro con ioni Ca = gel insolubile a struttura rigida. (Altri polimeri formati dallo stesso acido sono i xilogalatturonani e apigalatturonani):
        • Pectine non metilate: vengono salificate da ioni bivalenti Ca e Mg = ponti ionici che uniscono le catene polisaccaridiche e determinano l’insolubilità in acqua e formazione di gelatina
        • Pectine metilate: non formano ponti ionici -> solubilità in acqua
      • Ramnogalatturonano I (RGI): formato dalla ripetizione di un disaccaride, ai residui di Rha si legano diverse catene glicaniche (arabinano, galattano e arabinogalattano)
      • Ramnogalatturonano II (RGII): formato dallo scheletro di base di omogalatturano con legato 4 catene laterali complesse ai residui di acido galatturonico
    • Proteine strutturali: solitamente è presente il 5% di proteina (rispetto alla molecola) con catene laterali di polisaccaridi, alto grado di glicosilazione -> formazione legami covalenti con parte polisaccaridica (struttura), natura glicoproteine e distribuzione dipende dalla specie, tipologia e stadio di sviluppo:
      • Glicoproteine ricche di idrossiprolina (HRGP) Sintetizzate nelle endomembrane
      • Proteine ricche in prolina (PRP) e trasportate nella parete attraverso vescicole
      • Proteine ricche in glicina (GRP)
      • Arabinogalattanoproteine (AGP)
      • HRGP estensina: solubile in acqua (appena secreta), poi diventa insolubile (maturazione o a seguito di ferite/attacchi patogeni -> resistente alle proteasi -> difficile da idrolizzare) interagendo con altre componenti parietali:
        • Formazione ponte ditirosinico a livello intermolecolare e intramolecolare
        • Formazione rete glicoproteica: all’interno dei pori scorrono le microfibrille di cellulosa
      • AGP: proteine con catene laterali di arabinogalattani (90% glicoproteina costituita da zuccheri) su parete e faccia esterna della membrana plasmatica -> molecole segnale nello sviluppo
    • Fenoli
    • Lignine: polimeri di natura fenolica, idrof