Biologia vegetale con elementi di botanica farmaceutica

Cap 0: introduzione alla biologia farmaceutica

Che cos’è una pianta?

Una pianta è:

• Un organismo che accumula energia extraterrestre
• Un organismo luce-dipendente
• Un organismo a crescita indefinita (noi animali definita)
• Un organismo con massa superficiale elevata e minimo volume (per uno scambio vantaggioso con l’ambiente: energia solare e assorbimento di sali minerali dalle radici)
• Un organismo con presenza permanente di cellule embrionali
• Un organismo con vita autonoma, cioè non dipende da altri organismi, è autotrofa
• Un organismo ancorato al terreno
• Un organismo fortemente integrato con l’ambiente, c’è una relazione più diretta degli animali tra pianta e ambiente, la pianta subisce oppure alcune piante producono molecole, i metaboliti secondari, che possono essere amarissimi; quindi, evitano che gli animali mangino la pianta

Dunque, il paradigma costitutivo funzionale di una pianta risiede nelle sue singole cellule non nei suoi tessuti o nei suoi organi. La pianta “è” perché le sue cellule “sono” e il suo organismo globale è così fatto perché le sue cellule possano essere più funzionali per l’ambiente in cui vivono. Ogni singola cellula “è” pianta globale, tanto che ogni cellula, ogni parte della pianta può generare l’individuo.

Questa magnifica totipotenza è stata perduta nel corso dell’evoluzione dalla linea animale semplicemente perché, avendo essa sviluppato un altro metamodello funzionale, ha dato origine a cellule specializzate altamente differenziate. Per le cellule animali è più difficile percorrere l’itinerario a ritroso verso la costruzione dell’individuo o di una sua parte, tranne per le cellule staminali, cellule primitive non specializzate dotate della capacità di trasformarsi in diversi altri tipi di cellule del corpo.

Totipotenza: è la proprietà delle cellule vegetali o di una singola cellula staminale animale di svilupparsi in un intero organismo e persino in tessuti extra-embrionali.

Il paradigma di vita delle piante differisce radicalmente nel senso stesso di ogni singolo mattone che compone l’edificio dell’organismo. La cellula animale adulta non è totipotente (tranne alcune eccezioni), esprime la sua funzionalità nell’ambito del tessuto e questi nell’ambito dell’organo. Gli apparati animali maggiormente rilevanti sono costituiti dal cervello, dalla capacità motoria di reagire agli stimoli e da un sistema immunitario che permea l’intero individuo e che è capace di farlo sopravvivere dall’attacco dei predatori microbici.

Metamodello: è uno strumento che permette di comprendere ciò che la gente intende dire, ed è una riformulazione del linguaggio e dell'esperienza.

Le piante superiori sono fatte di cellule, le cellule sono organizzate in tessuti (insieme di cellule), i tessuti sono organizzati in organi, che costituiscono il cormo (radici, fusto, foglie).

Le cellule vegetali hanno strutture con una parete esterna e un citoplasma con un nucleo.

Le piante superiori sono capaci di accrescersi, riprodursi sessualmente (ci sono organo maschile e femminile, quindi una cellula maschile n e una cellula femminile n che si uniranno per formare lo zigote, c’è una fusione di gameti) e asessualmente (o modo vegetativo, ad esempio tagliando un fusto e mettendolo nella sabbia si può dare origine ad un’altra pianta), reagire agli stimoli (ad esempio le foglie di girasole che ruotano a seconda dell'inclinazione del sole).

Le piante sono dotate di due tipi di metabolismo:

• Primario produzione di proteine, lipidi carboidrati e acidi nucleici
• Secondario che serve a reagire a degli stimoli esterni

Piante e animali

Se in biologia animale è fondamentale lo studio di tessuti, apparati e organi soprattutto in relazione alla loro attività endocorporea, in biologia vegetale è dunque fondamentale lo studio della cellula come centro metabolico e funzionale dell’intera pianta in relazione con il mondo esterno, quindi extra-corporea.

Le piante, come organismi, sono semplici e costruite su modelli semplici e modulati. Come “organi”, sono fatte di sistemi interconvertibili, estremamente plastici. Come tessuti, sono scarsamente differenziate e mantengono costantemente una “riserva di tessuti embrionali” che sono gli unici che, in condizioni normali, sono capaci di dividersi.

Le piante, a causa del loro paradigma costruttivo e della forte interazione con l’ambiente (non possono fuggire alle condizioni avverse e agli stress fisici e chimici) devono produrre una grande quantità di sostanze differenti, molte delle quali devono costituire un meccanismo di difesa contro gli animali che le mangiano e contro le altre piante che sottraggono loro luce, acqua e sali minerali. La pianta vive quindi una vita di relazione con l’ambiente molto stretta e basata sul patrimonio di composti chimici che può produrre.

Anche di fronte alla morte le piante hanno un piano differente: di alcune sappiamo che muoiono appena hanno prodotto i semi (vivono una stagione o per poco tempo), per altre non conosciamo l’età della loro morte.

La struttura evolutiva degli animali è principalmente basata sulla specializzazione degli organi e dei tessuti, mentre nelle piante la struttura evolutiva è soprattutto basata sulla specializzazione di ogni singola cellula. Di qui la necessità per ogni cellula della pianta di avere una forte capacità di interagire chimicamente con l’ambiente. Nelle piante dovranno essere tutte le cellule a farsi carico del meccanismo di relazione e difesa con l’ambiente esterno. Questo fa sì che ogni specie vegetale si adatterà all’ambiente favorendo la formazione di individui specifici per quell’ambiente in grande plasticità genetica e molecolare.

A questo punto entra in campo la relazione tra pianta e ambiente e la relazione tra piante e uomo. L’ambiente naturale, quindi, fornisce materie prime utili all’uomo e l’uomo può prelevare queste risorse dall’ecosistema con accortezza, dovendo amministrare un bene tanto prezioso quanto esauribile.

La biologia vegetale farmaceutica

La biologia vegetale farmaceutica si occupa di piante medicinali, perché sono prodotti vegetali per la salute:

• Farmaci
• Integratori
• Alimenti speciali

Farmaci salvavita 40% sono di origine vegetale - Farmaci da banco (prodotti erboristici) 70/80% sono di origine vegetale - Prodotti cosmetici 90% ha origine vegetale o molecola vegetale all'interno -

La biologia vegetale parla di citologia vegetale, istologia, organografia (come sono fatti gli organi), riproduzione.

La botanica farmaceutica prende tutte queste nozioni e ci parla di diversità, differenti piante medicinali.

Molte delle caratteristiche citologiche, istologiche e organografiche ci permetteranno di fare quello che è il controllo qualità del prodotto erboristico farmaceutico.

Cap. 1: le macromolecole

Cosa sono?

Le macromolecole sono catene ripetitive di unità costitutive chimicamente semplici dette monomeri, unite covalentemente una all'altra per formare il polimero.

Nei sistemi viventi si ritrovano quattro tipi di macromolecole:

• Polisaccaridi (zuccheri)
• Proteine
• Acidi nucleici
• Lipidi

I lipidi

I lipidi non sono dei veri polimeri tutti uguali tra loro, ma sono un po’ più complessi.

I lipidi sono un gruppo eterogeneo di composti idrocarburici (carbonio + acqua), che presentano la comune proprietà di essere insolubili in acqua.

Le molecole apolari si associano tra loro a formare aggregati di grandi dimensioni; tuttavia, i lipidi non possono essere propriamente classificati come macromolecole in quanto i legami presenti tra le molecole di aggregato non sono covalenti.

Uno dei lipidi più importanti della cellula ha come unità di base il trigliceride:

La reazione di una molecola di glicerolo con tre molecole di acidi grassi produce un trigliceride e tre molecole di acqua (H₂O). Le lunghe catene idrocarburiche degli acidi grassi rendono quelle dei trigliceridi molecole molto idrofobe. Negli esseri viventi la reazione è più complessa, ma il risultato finale è quello nella figura.

Gli acidi grassi saturi non hanno doppi legami (a), se si forma un doppio legame si ha un acido grasso insaturo (b) e nello spazio ha una diversa conformazione tridimensionale.

I fosfolipidi

Sono molecole costituite da una unità di glicerolo cui sono legati acidi grassi con legame estere. Tuttavia, nei fosfolipidi uno degli acidi grassi è sostituito da una molecola di fosfato (PO₄).

Il fosfolipide è l'unità fondamentale delle membrane biologiche.

Membrana biologica doppio strato fosfolipidico 4--

Al posto di una molecola di acido grasso ho un gruppo fosforico PO₄.

Le due catene degli acidi grassi (rosse nell’immagine) sono altamente idrofobiche, cioè non sono attratte dall’acqua, anzi cercano di stare in un ambiente privo di acqua.

La testa (azzurra nell’immagine) è il glicerolo più gruppo PO₄, ed è idrofila, cioè, può andare a contatto con l’acqua.

Il fosfolipide è importante perché è l’unità fondamentale delle membrane biologiche.

Membrana biologica

I carboidrati

I carboidrati sono un gruppo eterogeneo di composti di formula chimica CH₂O.

Nelle strutture biologiche abbiamo principalmente quattro categorie di carboidrati:

• Monosaccaridi (glucosio, fruttosio)
• Disaccaridi (unione di due monosaccaridi) (saccarosio, formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio)
• Oligosaccaridi (più unità di monosaccaridi)
• Polisaccaridi (centinaia di migliaia di monosaccaridi)

I più importanti in ambito vegetale sono i polisaccaridi.

Il monosaccaride più comune è il glucosio, che deriva dalla fotosintesi clorofilliana, ed è composto da 6 atomi di carbonio (C₆H₁₂O₆) - glucosio:

Nelle cellule vegetali esiste l'-glucosio e il

• L'-glucosio ha il carbonio in posizione 1 con un OH sotto il piano della molecola-glucosio
• Il ha il carbonio in posizione 1 con un OH sopra il piano della molecola

Abbiamo anche monomeri a 5 atomi di carbonio, ad esempio il ribosio e desossiribosio (zucchero nel DNA).

Tra i monosaccaridi semplici a 6 atomi di carbonio in campo vegetale abbiamo il mannosio, il galattosio e il fruttosio.

-glucosio -fruttosio. Il dimero più importante nei vegetali è il saccarosio, dato dall’unione di una molecola di + È importante negli organismi vegetali perché è una delle molecole con il più grande grado di solubilità in acqua. Infatti, il saccarosio è la molecola di trasporto degli zuccheri in tutti gli organismi vegetali.

-glucosio -glucosidico) Altri due dimeri importanti sono il maltosio (-glucosio + uniti mediante legame 1,4 e il -glucosio). -glucosio Cellobiosio (tipico solo dei vegetali) (-glucosio + Perché si uniscano due molecole di il secondo glucosio deve ruotare di 180° rispetto al precedente.

I polisaccaridi presenti negli organismi vegetali sono:

• Amido o glicogeno in posizione 6, ogni tanto, si forma una catena lineare mediante un legame 1,6-glucosidico. La molecola lineare si chiama amilosio e quando la molecola si ramifica si parla di amilopectina. Il glicogeno è uguale, ci sono solo più ramificazioni. L'amido c'è solo nelle alghe verdi e tutte le piante superiori (riserva energetica), mentre il glicogeno è presente nell'uomo, negli animali, nei funghi e in alcuni batteri. -glucosio
• Cellulosa è un polimero di legato con legami 1,4- glucosidici. È una molecola lineare, non ramificata. La cellulosa non è una riserva energetica, perché non ha legami idrogeno disponibili, che consentono alla cellulosa di essere un polimero strutturale.

Cap. 2: energia, enzimi, metabolismo (cenni)

Tutti gli esseri viventi devono ottenere energia dall'ambiente.

L'energia può essere trasformata da una forma all'altra (primo principio della termodinamica).

Metabolismo insieme di reazioni chimiche diverse correlate le une alle altre

Noi abbiamo bisogno di energia per mantenere l'ordine, cioè, mantenere il corpo in funzione, che i sistemi enzimatici e il metabolismo funzionino (permette poco dispendio di energia).

Esistono due tipi di reazioni metaboliche:

• Reazioni anaboliche costruzione di molecole complesse a partire da molecole semplici. Tali reazioni depositano l'energia sotto forma di legami chimici
• Reazioni cataboliche degradano molecole complesse formando molecole più semplici e liberano l'energia depositata nei composti

Tutte le reazioni sono velocizzate da catalizzatori e negli organismi viventi i catalizzatori più importanti sono gli enzimi.

In tutti gli organismi viventi il “combustibile” più importante è il glucosio.

Tre sono i processi che ci permettono di utilizzare il glucosio:

• Glicolisi trasforma il glucosio in qualcosa di intermedio con ATP (metodo più rapido per produrre ATP)
• Respirazione cellulare a livello dei mitocondri che porta alla produzione di tantissima energia
• Fermentazione organismi anaerobi (noi facciamo fermentazione) consuma dei composti intermedi e forma alcol o acidi, è il metodo più rapido per fare ATP

Respirazione aerobica (catabolica):

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6CO₂ + 6H₂O + 36ATP

Nei batteri, nelle piante superiori fotosintesi (anabolica):

6CO₂ + 6H₂O (luce) C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Autotrofismo ed eterotrofismo

• Autotrofismo piante superiori, batteri fotosintetici, alghe azzurre, alghe superiori. Usano sostanze inorganiche come sali e acqua e usando l’energia della luce formano composti organici (glucosio). Le piante sono autotrofe anche per gli amminoacidi e le proteine, gli organismi vegetali prendono l’azoto dal terreno e producono tutti gli amminoacidi
• Eterotrofi animali, funghi, batteri. Usano sostanze organiche per trarne energia (ATP), e non sono in grado di vivere se non hanno a disposizione tali molecole

Cap. 3: citologia di una cellula vegetale

La teoria cellulare

La citologia si occupa dello studio delle cellule, animali o vegetali, della loro organizzazione interna e delle loro funzioni.

La cellula rappresenta l’elemento unificante e comune a tutti gli esseri viventi, siano essi microbi, vegetali o animali. Questo significa che, non solo tutti gli organismi viventi sono formati da cellule, ma anche che ogni singolo individuo è formato da cellule.

La constatazione di un unico modello di cellula sul piano strutturale, funzionale e sostanziale ha portato a esprimere in termini precisi una teoria cellulare dei viventi comune e unitaria le cui differenze di base sono determinate essenzialmente da un differente stadio evolutivo. La teoria accomuna e lega lo sviluppo del modello cellulare più evoluto, la cellula eucariotica, ad un lungo cammino evolutivo che ha portato oggi al riconoscimento di due modelli cellulari costituiti dalla cellula procariotica (meno strutturalmente evoluta) e dalla cellula eucariotica (altamente evoluta).

Frecce colorate limite di risoluzione (quanto vedo distinte le cose), ovvero la distanza minima a cui due punti distinti sono distinguibili

Microscopio ottico permette di mettere in evidenza delle uova di pesce molto grandi, una cellula animale e vegetale, m qualche batterio e i cloroplasti. Va da 100 a 100 nm

Microscopio elettronico si basa su un sistema complesso, la radiazione si basa su un fascio di elettroni che ci permette di vedere le parti subcellulari della cellula ovvero quello che sta dentro alla cellula, come il cloroplasto, i fagi delle proteine e il doppio strato fosfolipidico per arrivare a qualche piccola molecola, ma non gli atomi (da 100 a 0,1 nm) m.

La maggior parte dei diametri cellulari si distribuiscono nell’intervallo tra 1-100 I più piccoli sono i capillari (5 m micron), un globulo rosso è 7-8 (si schiacciano per passare nei capillari), mentre una cellula vegetale va da 10-12 a 10-12 cm (cellule delle liane).

Le cellule vegetali hanno dimensioni molto piccole perché è molto importante per la cellula mantenere un elevato rapporto tra la superficie esterna ed il volume, al fine di garantire un adeguato scambio di nutrienti e di cataboliti (rifiuti) per il e dal citoplasma, ovvero nelle due direzioni (dall’esterno e dall’interno).

Secondo la teoria cellulare:

• Tutti gli organismi sono composti da cellule
• Le cellule costituiscono le unità fondamentali di ciascun organismo
• Tutte le cellule derivano da altre cellule

Nel corso dell'evoluzione, sopratt