Appunti del corso di Metaboliti naturali bioattivi

Chimica degli alimenti e dei metaboliti naturali bioattivi

Modulo prof.ssa Bertea 5 CFU

Metaboliti bioattivi naturali, esame in due parti: Medana scritto e Bertea esame orale. Metaboliti naturali bioattivi; con un ruolo biologico. Nutraceutici: sia scopo nutrizionale, sia un effetto farmaceutico. Molecole da difesa; di per sé potrebbero essere tossiche, per cui la pianta le stocca in determinate strutture al di fuori del metabolismo basale.

Biodiversità

Biodiversità: concetto globale della biologia, include analisi e descrizione di forme viventi appartenenti agli ecosistemi terrestri e acquatici. Ora si può estendere anche alle molecole prodotte dagli organismi viventi. Grande biodiversità all'interno degli insetti (2-5 milioni di specie), angiosperme (fiori, >275k specie), dei metaboliti secondari (>100k molecole).

Caratteristiche metaboliti bioattivi

• Capacità di interagire con organismi target ed esplicare determinate funzioni; spesso per la difesa delle piante.
• Difesa da stress biotico (patogeni, insetti...) e abiotico (vento, pioggia, temperature...)
• Alcune classi: isoprenoidi, alcaloidi, fenoli, acidi grassi e derivati...

Importanza di capire le vie biosintetiche: per replicazione sintetica, agire su determinati enzimi per produzione di molecole di interesse (biotecnologie!). Dai metaboliti bioattivi posso anche avere dei derivati (es. aspirina).

Metaboliti primari e secondari

Metaboliti primari: fondamentali per la sopravvivenza, crescita e riproduzione. Sono molto conservati a livello evolutivo. Molto simili in uomo, animali, piante.

Metaboliti secondari: tipico di microrganismi e piante, non nell'uomo (acquisisce metaboliti secondari mangiando piante e alimenti di altro tipo). Metabolismo secondario molto differenziato, in continua evoluzione (coevoluzione con altri organismi). Non sono prodotti in tutte le situazioni, ma sintetizzati e degradati di continuo. Spesso prodotti da cellule specializzate e stoccati nel vacuolo o in altre strutture specializzate.

Vie biosintetiche

C'è una stretta correlazione tra il metabolismo primario e quello secondario. I composti contenenti azoto derivano dal ciclo degli acidi tricarbossilici (Krebs), che fornisce aa alifatici, che sono la base di alcuni composti contenenti azoto. Una parte dei substrati deriva anche dalla via degli aa aromatici, che a loro volta derivano dalla via dell'acido scichimico. Questa è anche fondamentale per la produzione dei composti fenolici.

Alcune vie di sintesi

• Via dell'acido malonico - fondamentale per i composti fenolici complessi (2 anelli fenolici tenuti assieme da un ponte eterociclico).
• Via dell'acido mevalonico - composti terpenici, che derivano poi anche dalla via MEP (metil eritritol fosfato).
• 3-PGA: primo intermedio metabolico della fotosintesi, per sintesi terpenoidi.

Sintesi dei composti

Classi principali: terpenoidi, alcaloidi, composti fenolici. Ulteriori suddivisioni; composti che non contengono azoto (terpenoidi e composti fenolici) composti che contengono azoto (alcaloidi, ammine, glicosidi cianogeni, glucosinolati, amminoacidi non presenti in proteine).

La sintesi dei composti avviene in diverse parti della cellula:

• Nel citosol: composti idrofilici.
• Mitocondri: amine, alcaloidi.
• Cloroplasti: alcaloidi e terpenoidi.
• Vescicole: alcaloidi.
• RE: composti lipofilici e step di idrossilazione.

Alcuni composti per entrare nel vacuolo per lo stoccaggio richiedono un trasporto ATP-dipendente.

Antocianine e altre sostanze

Antocianine: pigmenti blu-rossi appartenenti ai fenoli complessi. Idrofili. Con lo zucchero legato, si aumenta la porzione idrofilica che si scioglie bene nel succo vacuolare. Cambiamento di colore in funzione di pH.

Laticiferi: soprattutto nella pianta della gomma/del lattice. Ma anche lattughe, cicorie, papavero da oppio, fichi... liquido ricco in sesquiterpeni lattoni. Le piante che li producono sono soprattutto dicotiledoni. I cereali invece sono monocotiledoni. Strutture lipofiliche: es oli essenziali, che sono proprio miscele di metaboliti bioattivi lipofili. Tricomi (= peli) ghiandolari, molto nelle erbe aromatiche e ad es nella lavanda. Struttura: una specie di fusto, poi la testa con le cellule secretrici che immettono i prodotti nella cavità subcuticolare. Le sostanze prodotte sono volatili; al tatto/sfregamento si rompono i tricomi e vengono rilasciati nell'aria gli odori. Gli oli essenziali possono agire da antimicrobici e antivirali.

Canali resiniferi e trasporto dei metaboliti

Canali resiniferi: li troviamo sulle cortecce di conifere. Cellule secretrici attorno a un canale, che buttano il secreto nel canale. Su foglie e buccia. Immersi nella pianta.

Trasporto dei metaboliti secondari: Arabidopsis thaliana - pianta modello, es. glucosinolati. Prodotti come molecole non tossiche (sono intatti). Possono essere caricati nel floema = sistema di difesa contro gli insetti, che ne succhiano il liquido (es. afidi). Trasportati in semi, frutti e fiori. Rimuove da parti vecchie (es. foglie mature) e li porta nelle strutture più utili per la difesa. Quello che noi mangiamo come frutta e verdura sono le parti più ricche in glucosinolati.

Secrezione

Trasporto di sostanza prodotte dalla cellula all'esterno della membrana plasmatica. Quindi le sostanza o vengono espulse fuori dalla cellula o nel vacuolo (in base alla sostanza in questione).

• Olocrina: disintegrazione della cellula che produce le sostanze.
• Merocrina: le sostanze vengono eliminate all'esterno, ma la cellula rimane intatta.
• Eccrina: le sostanze passano attraverso membrana plasmatica o tonoplasto seguendo un gradiente di concentrazione.
• Granulocrina: le sostanze sono accumulate in vescicole che possono poi unirsi con la membrana o col tonoplasto ed eliminate dal protoplasto di sostanze lipofiliche.

Tricomi ghiandolari

Esempio della menta: tricoma peltato, costituito da più di una cellula secretrice che butta il secreto nella cavità subcuticolare. Tricoma capitato: una sola cellula secretrice e una cellula stelo, non accumulano l'olio essenziale ma lo buttano nell'atmosfera (di avvertimento - non hanno spazio subcuticolare).

Piante Lamiaceae (o Labiate, per la forma del fiore), tipo generi menta, origano, basilico ecc. piante aromatiche. Sulla parte inferiore delle foglie! Sia peltati sia capitati; non tutti con lo stesso numero di cellule secretrici. Tricomi peduncolati: hanno più cellule stelo, più rialzati dalla superficie della foglia. Sulla parte inferiore delle foglie! Cellula basale che li ancora all'epidermide, una stelo che li innalza dall'epidermide e altre cellule secretorie con sopra spazio / cavità subcuticolare.

Ocimum basilicum e altri esempi

Ocimum basilicum: tricomi peltati con 4 cellule secretrici o capitati con 1 o 2 cellule secretrici. Nell'olio essenziale del basilico troviamo cineolo, alta-terpineolo, eugenolo, estragolo (methyl chavicol). Le cellule ottenute dal bead beader (?) fanno da base per enzimi e mRNA codificanti per i geni dell'olio essenziale - utile per modificare la via di sintesi di questi composti. Menta piperita sintesi solo per via plastidica (i geni sono nei plastidi). Mentha: due tipi di tricomi (peltati con 8 cellule secretrici e capitati con 1 cellula secretrice). Origanum vulgare: 12 cellule secretrici; timolo e carvacrolo, sono antimicrobici molto forti.

Famiglia Asteraceae

Famiglia Asteraceae: pianta Artemisia annua. I tricomi sono detti biseriati, formati da due cellule basali, due cellule stelo e 8 cellule secretrici. Questi tricomi hanno i cloroplasti (si vede colore verde; vs famiglia Lamiacea leucoplasti) - maggiore difficoltà nella clonazione, ci sono anche diversi geni della fotosintesi. Molecola artemisinina è un sesquiterpene lattone; oggi usato per farmaci antimalarici. Agisce infatti sui geni di Plasmodio della malaria resistenti al chinino (un altro metabolita secondario).

Famiglia Geraniaceae e Cannabaceae

Famiglia Geraniaceae: tricomi di tipo I e di tipo II; no cavità subcuticolare vera e propria. Famiglia Cannabaceae: es Humulus lupulus (luppolo); tricomi ghiandolari particolari e resina luppolina. Fino a 70 cellule secretrici. La cavità subcuticolare si ingrossa man mano che si accumula l'olio essenziale. Troviamo alfa-lumolene (sesquiterpene) e linalolo (monoterpene). Es. Cannabis sativa; tricomi ghiandolari simili alle Geraniaceae, ma cavità subcuticolare più piccola e contiene anche vescicole, contenenti sostanze idrofile. Il THC è in contatto con le vescicole.

Famiglia Solanaceae

Famiglia Solanaceae: tabacco, patate, peperoni, melanzane... Nicotiana tabacum, pianta modello. Lunghi tricomi, con testa con tre cellule secretrici e diverse cellule stelo. Contiene cembrene, diterpene, studiato per cura malattie neurodegenerative (es. Alzheimer).

Dotti secretori e cavità secretorie

Dotti secretori per la resina tipici delle conifere. Sezione trasversale di canale resinifero di un ago di pino; dotti resiniferi e cellule secretrici, anche lignificate per rendere il canale resinifero più robusto. La resina prodotta è formata da mono-, sesqui- e diterpeni.

Cavità secretorie tipiche degli agrumi; sia in foglie sia in frutti. Soprattutto mono e sequiterpene (limonene, un monoterpene, il valencene, un sesquiterpene, il beta-sinensale è un aldeide sesquiterpenica). Queste strutture si formano dalla fusione di cellule secretrici.

Metaboliti bioattivi - ruoli ecologici

Le piante possono attuare interazioni positive con l'esterno usando i metaboliti secondari.

• Simbiosi: micorrize, batteri azoto fissatori. Spesso queste interazioni sono mediate da metaboliti secondari. Es: nei batteri azoto fissatori del genere Rhizobia (specifici delle leguminose), i batteri percepiscono il primo segnale mandato dalle piante con gli essudati radicali, i flavonoidi; i batteri si avvicinano alla radice, inizia l'interazione simbiotica e fissano N₂ con la nitrogenasi. Richiamo della pianta verso i mo. Interazione positiva.
• Altri segnali positivi: segnali mandati per insetti impollinatori, es. visivi (funzione vessillare, colore fiori e frutti). La pianta così garantisce il proseguimento della specie. Alcuni animali possono invece essere attratti dal frutto, lo mangiano e eliminano i semi con le deiezioni. Tutto grazie all'enorme diversità dei metaboliti, che hanno anche una variabilità intra-specifica. I met. secondari sono molto legati all'ambiente.

Strategie di difesa

• Induzione: si forma uno o più metaboliti di difesa in risposta ai patogeni o erbivori. Es. fitoalessine come nicotina, che funziona da insetticida ed è prodotta in seguito all'attacco, o resveratrolo, con azione antiossidante.
• Produzione di protossine innocue attivate con un enzima che lo degrada producendo cataboliti tossici. Es. glucosinolati.
• Accumulo di composti di difesa, che rappresenta una produzione costitutiva (es. olii essenziali).

Ipotesi di Bu'lock

Ipotesi di Bu'lock: pensa che i metaboliti primari nascano dai secondari. Il prodotto accumulato viene switchato su un'altra via, producendo un primo metabolita secondario. Questo può dare origine ad altri metaboliti secondari e via dicendo. Vengono considerati vere e proprie "valvole di sfogo" (se accumulo un metabolita primario posso bloccare una via biosintetica e la pianta ne risentirebbe; se invece lo shifto verso una via del metabolismo secondario ottengo una serie di molecole utili alla vita delle pianta, anche se non fondamentali) - maggiore fitness della pianta, capacità della pianta di sopravvivere in un determinato ambiente. Grossa caratteristica del met. secondario == grosso grado di libertà dei composti, possono variare anche in concentrazione e in struttura chimica.

Ipotesi sulle funzioni dei metaboliti secondari

A cosa servono? Diverse ipotesi:

• Valvole di sfogo, quindi prod. di rifiuto: NO perché li troviamo anche in tessuti giovani. Non avrebbe senso che un tessuto giovane produca prodotti di rifiuto.
• In più il rifiuto è tipico degli eterotrofi, le piante sono autotrofe.
• Molti metaboliti secondari possono essere ulteriormente metabolizzati funzionando da riserva di alcuni importanti elementi, per esempio l'azoto N. Si è visto che alcuni metaboliti contenenti azoto vengono accumulati in semi, metabolizzati/usati come riserva nella germinazione (turnover).
• C'è anche un controllo temporale e spaziale della produzione; non sarebbe così se fossero prodotti di rifiuto. Es. nei tricomi in foglie giovani, l'olio essenziale ha un profilo diverso da quelli presenti in foglie vecchie, ma agri perché alcune molecole vengono ancora derivatizzate in altro modo.
• Hanno un'azione biologica e target ben precisi. Quindi: difesa - attrazione - protezione (da UV).

Interazione tritrofica

Interazione tritrofica:

• 1 livello: produttori=piante.
• 2 livello: insetto fitofago/erbivoro.
• 3 livello: predatore.
• Cry for help: la pianta si allea col predatore del fitofago.

Berberina è un alcaloide, tossina di difesa. Linalolo attrae insetti impollinatori, contiene azoto, è un glucosinolato. Azione antifungina. La pianta reagisce a infezione e danno meccanico attivando/aumentando la produzione di composti di difesa (a volte prodotti costitutivamente). In tutti i casi questi composti hanno effetti inibitori, da una parte sull'erbivoro (bloccano la sua azione, il danno meccanico) o inibendo la crescita dei microrganismi.

Esempio di difesa con composti

Ferita su una foglia rilascio composti pre-sintetizzati che sono accumulati in determinati comparti; poi devono essere attivati grazie a enzimi, es. le idrolasi, che idrolizzano dei legami portando alla produzione di un composto bioattivo. Esempio: mirosinasi -glucosinolati; difesa chimica costituita da un sistema binario. La mirosinasi è l'enzima. Sistema anche chiamato “mustard oil bomb”. Glucosinolati nel vacuolo; possono essere attivati in seguito a danno. Pianta attaccata dall'insetto. Nelle brassicacee il danno rilascia la mirosina, contenuto nei myrosin bodies. L'enzima liberato viene a contatto col glucosinolato, va a rompere gli zuccheri, si formano una serie di sottoprodotti tra cui il solfato e gli isotiocianati, nitrili... che sono tossiche.

Bersagli dei metaboliti bioattivi

Bersagli: molti metaboliti bioattivi agiscono a livello del sistema nervoso alterando percezione, processamento e vie di trasduzione del segnale: es. alcaloidi e composti contenenti azoto. Quando si assumono alcaloidi la percezione non è più la stessa, gli animali non sono più in grado di riprodursi (= piante interrompono la progenie dei loro predatori). In alcuni casi si blocca lo sviluppo, la mobilità e i muscoli (curaro!), anche dell'apparato digerente, e agiscono anche sulla respirazione.

Coevoluzione

C'è una continua lotta ed evoluzione tra piante e animali; una pianta per un certo periodo di tempo produce dunque un metabolita secondario, che risulta efficace per l'insetto fitofago o dell'erbivoro; dopo un po' però questi sviluppano sistemi per eludere questo sistema della pianta. La pianta dovrà produrre nuovi metaboliti. Il danno può essere correlato alla fitness (capacità di una pianta di sopravvivere all'interno di un determinato ambiente); in più le piante possono mostrare variazioni a livello genetico. Allo stesso tempo anche gli erbivori all'interno della stessa specie possono mostrare una diversa variabilità nel tollerare i metaboliti bioattivi - possono modulare la tolleranza a vari metaboliti bioattivi. Variazioni genetiche anche a livello dell'erbivoro.

In generale i metaboliti secondari funzionano bene come linea di difesa, ma esistono alcune eccezioni: alcuni erbivori e mo hanno evoluto la capacità di bypassare le difese chimiche mettendo in atto alcuni meccanismi. Sono meccanismi paragonabili a quelli di virus e batteri che bypassano le difese del sistema immunitario. Questi organismi hanno sviluppato strategie di adattamento verso il metabolismo secondario; possono tollerare la presenza di metaboliti bioattivi, anche a volte usandoli all'interno della loro dieta.

Erbivori specialisti e microrganismi

• Erbivori specialisti: evitano piante tossiche, con eccezione delle piante ospite (crisolina herbacea e mentha acquatica, no mentha pipirita ; crisolina americana vive bene sul rosmarino ma non altre piante aromatiche).
• A volte li mangiano poi velocemente passaggio nel tratto intestinale ed espulsione, quindi no assorbimento.
• Sviluppo di sistemi di detossificazione; molecole disattivate per aggiunte di gruppi OH (idrossilazione), coniugazione, eliminazione dei composti tossici.
• Assorbimento e accumulo per poi usarli a loro favore.
• Uso dei metaboliti secondari nella loro dieta (come feromoni, molecole segnale, o difesa verso predatori).
• Microrganismi: inattivazione dei metaboliti secondari, sistemi di non sensibilità ai composti tossici.

Esempio: Tonchio e Dioclea

Tonchio si nutre della Dioclea. I suoi semi sono ricchi di aa non proteici, una classe di metaboliti bioattivi che non fanno parte delle proteine. Uno è la canavanina, che è molto simile all'arginina; quindi la sua incorporazione nelle proteine porta a proteine aberranti, l'insetto muore. Nel caso del tonchio, questo ha cambiato il suo tRNA per riconoscere in maniera specifica l'arginina e non va a legare la canavanina, sopravvivendo. Tonchio e semi di Dioclea.

Coevoluzione e biodiversità

La coevoluzione tra le piante e i loro nemici naturali è alla base della biodiversità sul nostro pianeta, perché questo porta anche a una diversità chimica. Esiste un'interazione pianta-pianta, interazioni biochimiche tra le piante, di tipo inibitorio o stimolatorio. Le piante possono produrre dei composti chimici e rilasciarli nell'ambiente, andando a interferire coi processi delle altre piante (es. germinazione semi, crescita). Le molecole allelopatiche vengono rilasciate nell'ambiente, ad esempio per essudazione, percolazione, lisciviazione/lisciviamento, secrezione o semplice decomposizione. I composti allelopatici appartengono a varie classi di metaboliti secondari: allelopatia, si basa su diversi tipi di interazione.