Riassunto esame Biologia vegetale e botanica farmaceutica, Prof. Fico Gelsomina, libro consigliato Botanica farmaceutica , Elena Maugini, Marta Mariotti Lippi, Laura Maleci Bini

Introduzione alla biologia vegetale

Cos'è la biologia vegetale

È la branca della biologia che si occupa dello studio delle piante. Come riconoscere una pianta: è costituita da fusto, fiori e radici.

• Piante a portamento erbaceo: non presenta il fusto
• Piante a portamento arbustivo: come degli arbusti
• Piante a portamento fustivo: presenta un fusto e una componente legnosa

Cos'è una patata: tubero ma anche fusto trasformato e la sua componente esterna è il sughero, la sua pianta è un parente della pianta di pomodoro.

Organismi viventi

Sono costituiti da molecole organiche, per poter costruire tali molecole assumono dall'esterno altre molecole, in genere piuttosto semplici. Solo le piante sono in grado di sintetizzare le molecole organiche di cui hanno bisogno, a partire da composti inorganici.

• Autotrofi: trasformano le sostanze inorganiche in sostanze organiche — Fotosintesi: CO2 + H2O — sostanze organiche (glucosio) + O2
• Eterotrofi: devono assumere sostanza organica per costruire le proprie molecole organiche.

Le piante sono autotrofi e sono alla base della catena alimentare. I funghi sono eterotrofi e non fanno fotosintesi. In tutte le comunità di viventi gli organismi autotrofi svolgono il ruolo di produttori, essi producono infatti le molecole organiche delle quali si nutrono gli organismi eterotrofi, che svolgono il ruolo di consumatori.

Somiglianze e differenze tra animali e piante

Le componenti di base sono identiche, hanno strutture cellulari uguali, hanno in comune un gran numero di molecole (acidi nucleici, proteine, lipidi ecc.) e molti processi metabolici (es. respirazione, sintesi proteica). La grande peculiarità degli organismi vegetali è il processo fotosintetico. Fotosintesi: via di sintesi di molecole organiche, rappresentate da carboidrati, a partire da acqua e anidride carbonica, utilizzando l'energia luminosa proveniente dal sole. Definizione di Robert Mayer (1850), primo a citarla nella sua interezza.

Questa particolare strategia di vita delle piante è alla base di una serie di caratteristiche morfologiche e funzionali che le contraddistingue dagli animali, in generale dagli organismi eterotrofi. In termini evolutivi, la pianta ha ricavato sempre il cibo dalla fotosintesi e quindi è rimasta sempre immobile e non ha sviluppato il movimento per andarlo a cercare. Per garantire la riproduzione, hanno sviluppato il richiamo degli insetti e l'impollinazione, causate dalla forma, dal colore e dall'odore del fiore. Quando una pianta deve difendersi, produce dei "veleni" o tossine. Altre si difendono fisicamente, come per esempio il cactus che ha le spine. L'ambiente naturale dove vivono queste piante è arido, dove il reagente limitante di quelli fotosintetici è l'acqua → queste piante trattengono acqua, contengono un parenchima acquifero (tessuto specifico) che trattiene acqua sotto forma di mucillagine. In ambiente desertico queste piante sono esposte alla predazione e le spine rappresentano una difesa di tipo fisico, elemento di repulsione nei confronti di predatori.

Sostanze prodotte dalle piante

Le sostanze che le piante producono sono usate per creare farmaci e che hanno la capacità di uccidere un essere umano, infatti bisogna valutare bene le dosi. Droga: parte della pianta con il più alto tenore (contenuto) di principi attivi. Le piante che si trovano in tutti i tipi di ambienti hanno sviluppato con l'evoluzione svariati meccanismi di difesa dai predatori (erbivori o insetti fitofagi), questi possono essere di tipo fisico e chimico, come la produzione di veleni. Es. ortiche → presentano peli particolari che penetrano la pelle. Sono peli unicellulari che hanno la parete di carbonato di calcio quindi sono molto dure. Penetrano la pelle e liberano sostanze di tipo istaminico. Per gli animali di taglia grande provocano un fastidio che ne determina l'allontanamento, per quelli piccoli può provocare anche la morte. Es. caffeina → la troviamo nel chicco del caffè (Coffea arabica) ovvero nel seme. La caffeina appartiene al gruppo degli alcaloidi (veleni per eccellenza nel mondo vegetale), per l'uomo non è una droga se ne fa un uso moderato; per l'uomo è una sostanza che stimola l'attenzione. Per molti tipi di sostanze, la differenza tra definire una sostanza tra principio attivo e veleno è legata alla dose.

Adattamenti delle piante

Le piante si sono attrezzate per assorbire l'acqua, estendendo la superficie delle radici. Le radici più importanti: radice fittone e fascicolata. Per procurarsi il maggior quantitativo di H2O e CO2, la pianta ha sviluppato ampie superfici, in particolare ampio apparato radicale per l'assorbimento di H2O e ampia superficie fogliare per l'assorbimento di CO2. L'esposizione di ampie superfici permette anche un efficiente assorbimento della radiazione solare. H2O, sali minerali in essa disciolti, CO2, sono ingredienti praticamente ubiquitari, facilmente disponibili: le piante sono dunque immobili, non hanno sviluppato strutture atte al loro spostamento. Le piante necessitano dunque di rinnovo e ampliamento delle loro superfici assorbenti, pertanto crescono formando sempre nuove foglie e nuove radici per tutta la durata della loro vita. Ci sono piante caducifoglie e non caducifoglie: le caducifoglie cambiano le foglie continuamente e si vede la pianta spoglia, mentre le non caducifoglie sono quelle sempreverdi che non rimangono spoglie, ma cambiano comunque le foglie con un ciclo ben preciso. Le parti verdi della pianta in grado di assorbire luce, H2O e CO2 sono dotate di larga autonomia, parti anche cospicue della pianta possono essere perse, per tagli o danneggiamenti, senza che l'individuo ne soffra – potatura.

Sintesi delle caratteristiche vegetali

• Autotrofia
• Immobilità
• Grande sviluppo di superfici
• Organizzazione decentrata
• Accrescimento indefinito
• Grande adattamento all'ambiente

Impatto delle piante sull'ambiente

Per la produzione di sostanze organiche e per la produzione di ossigeno, l'ossigeno prodotto dagli organismi fotosintetici come sostanza di rifiuto, è quello accumulato nell'atmosfera nel corso delle ere geologiche. 2.3 miliardi di anni fa compaiono i primi organismi fotosintetici produttori di ossigeno, il cui aumento provoca un incremento della concentrazione di ossigeno nell'atmosfera. Quando la quantità di O2 supera quella consumata per i processi ossidativi (in primis la respirazione), compare per effetto delle radiazioni ionizzanti, uno strato di ozono, in grado di trattenere gran parte delle radiazioni ultraviolette solari. Diviene dunque possibile la vita in ambiente subaereo. Attraverso le radici le piante assorbono una grande quantità di H2O dal terreno, utilizzandone per le attività metaboliche solo una parte. La quasi totalità dell'H2O assorbita viene rimessa nell'ambiente sotto forma di vapore e contribuisce al mantenimento dell'umidità atmosferica e alla formazione delle nuvole, influenzando la piovosità e quindi il clima.

Utilizzo delle piante per la salute umana

• Piante medicinali: piante che contengano sostanze utilizzabili a fini terapeutici o precursori che consentano di ottenere per emisintesi composti terapeuticamente attivi (OMS = Organizzazione Mondiale della Sanità). Ma anche piante che se assunte direttamente, possono provocare nell'organismo vivente modificazioni funzionali, prevenire o curare stati di malattie, ristabilire o correggere funzioni organiche. Ma le piante possono essere anche impiegate per la preparazione di prodotti cosmetici, come integratori alimentari.

Da un prodotto: per il benessere delle gambe, estratto idroalcolico di Amamelide (Hamamelis virginiana) foglie e Vite rossa (Vitis vinifera) foglie; Rusco (Ruscus aculeatus) radice estratto liofilizzato; Centella (Centella asiatica) foglie estratto liofilizzato; Ginkgo biloba (Ginkgo biloba) foglie estratto liofilizzato. Il piretro è un insetticida d'origine vegetale che si ottiene dai fiori di particolari specie di crisantemo. Per le sue proprietà di ridotta persistenza nell'ambiente e di bassa tossicità per l'uomo e i mammiferi, è un antiparassitario molto interessante sia per l'uso agricolo sia per quello domestico (contro mosche e zanzare); inoltre, è uno dei pochi insetticidi ammessi in agricoltura biologica.

Possiamo in ultimo ricordare le piante per il loro effetto ricreativo, riposante e rilassante che ha portato l'uomo a costruire parchi e giardini. Digitalis purpurea: produce glicosidi cardiotonici e si usa per potenziare l'attività cardiaca, quindi per questo va usata in dosi molto piccole. È importante rammentare in ogni caso che esistono problemi legati all'uso delle piante medicinali.

• Rischio di estinzione delle piante spontanee
• Problemi legati alle possibili interazioni con l'uso di altri farmaci
• Tossicità: molte delle sostanze tossiche esistenti (90%), anche quelle usate per medicinali, derivano dalle piante. Risulta quindi evidente l'importanza della dose, in alcune dosi questi principi attivi possono curare in altre sono invece estremamente tossiche. La finestra tra la dose tossica e quella terapeutica è molto spesso piccola, l'uso di queste piante è quindi molto rischioso. Le specie vegetali che si tende ad utilizzare e che sono attualmente in uso sono quelle specie che presentano una finestra più ampia tra la dose terapeutica e quella tossica. Perciò è necessario saper utilizzare nel modo giusto le specie vegetali.

Aspirina: acido acetilsalicilico. Deriva dal salice. Camptotheca acuminata: È la principale fonte di camptotecina (CPT), un alcaloide pentaciclico isolato per la prima volta nel 1958. La CPT ed i suoi derivati inibiscono la proliferazione delle cellule tumorali grazie alla loro capacità di interagire con gli enzimi eucariotici topoisomerasi, implicati nel rilassamento del DNA superavvolto. Presente nell'orto botanico Ghirardi e serve per la cura del tumore dell'ovaio e del colon-retto.

Nomenclatura introdotta nel '700 da Linneo: Nome completo - nomenclatura, prima parte di nome indica il genere (Camptotheca), con lettera maiuscola e la seconda parte indica la specie, epitopo specifico, in corsivo.

Componenti chimiche dei viventi

Nigella damascena: Parente del Ranuncolo, molto diffusa in Italia a livello del mare (in pianura). Esiste una specie sorella detta Nigella sativa (sono congeneri = appartenenti allo stesso genere). È una delle specie più "dolci". Non ha grandissimi effetti dal punto di vista terapeutico, è diuretico, la droga sono i semi (dose tossica 6 kg) e è dolce perché i suoi semi hanno un aroma di fragola, ancora oggi non sappiamo quale sia il ruolo di questa essenza che produce. In oriente i semi si usano in pasticceria come surrogato della fragola.

Componenti chimiche degli animali

Acqua, sostanze inorganiche, sostanze organiche. Acqua: sostanza inorganica. Le reazioni metaboliche avvengono in soluzione acquosa. H2O è il reagente di molte reazioni chimiche (fotosintesi, scissione polimeri…). Molecola polare, la parziale carica positiva sugli ioni H+ e la parziale carica negativa su O- formano legami. Contenuto di acqua in alcune piante:

• Frutti carnosi o foglie che hanno un alto contenuto > 90%. Es. Aloe vera (Aloe barbadensis) o cactus, fanno parte delle piante succulente che presentano foglie carnose e accumulano grandi quantità di acqua.
• Frutti secchi o semi che hanno un basso contenuto 1-5%, ad esempio il Soffione, soffiando si ottiene disseminazione. Ogni struttura è un frutto secco, alla base è contenuto il seme (Tarassaco) dell'infiorescenza nasce un'infruttescenza, ogni fiore diventa un frutto. Spiga di grano, i "chicchi" sono frutti secchi. Il seme è tegumento protettivo che protegge l'embrione, ad un certo punto la pianta fa sì che i semi abbiano un limitatissimo contenuto di acqua perché se la pianta non avesse adottato questa strategia non avrebbe potuto sviluppare una struttura conservativa come quella del seme perché in presenza di acqua iniziano tutte le reazioni, i processi metabolici, che portano all'inizio della formazione del nuovo individuo.

La germinazione è attivata dall'acqua. In ambiente naturale il seme è quiescente e germina e si sviluppa solo in condizioni ambientali e nutrizionali adatte e che favoriscono lo sviluppo della pianta. Sostanze inorganiche: presenti come ioni in soluzione nell'acqua, i sali infatti si dissociano negli ioni che li compongono. Sono indispensabili per la sopravvivenza della pianta.

• Cationi = K+, Mg++, Ca++, Fe++/+++, Mn++, NH4+
• Anioni = H2PO4-, SO4--, Cl-, HCO3-, NO3-

Sostanze organiche

Proteine: sono polimeri costituiti da aminoacidi (unità fondamentale), hanno una struttura ripetitiva e si distinguono per il gruppo R, la glicina ha un atomo di H come gruppo R. Proteine ad attività enzimatica come quelle contenute nella papaya, ananas e fico. Carica papaya contiene proteina – PAPAINA, Bromelia ananas contiene proteina – BROMELINA, Ficus carica contiene miscela proteica – FICINA.

Bromelia ananas, famiglia: BROMELIACEAE è un frutto, infruttescenza -ACEAE = desinenza che indica una famiglia. Il frutto maturo contiene acidi organici, vitamine A, B, C, zuccheri e l'enzima proteolitico bromelina, che facilita la digestione ed ha azione antinfiammatoria. Se assunta prima del pasto aiuta la digestione (qualche fetta). Il frutto maturo è la parte della pianta con più principi attivi.

Carica papaya, famiglia: CARICACEAE. La droga è costituita da latice di frutti immaturi (bacche), ricco di papaina, enzima proteolitico ed è utilizzato in caso di insufficienze gastriche e duodenali. Tale enzima si usa nell'industria per rendere tenera la carne e favorire la digestione. Dalle foglie si estrae la carpaina, alcaloide con azione battericida e batteriostatica.

Ficus carica, famiglia: MORACEAE è un'infruttescenza. La droga è costituita da frutti e foglie e dal latice (sostanza bianca lattiginosa leggermente urticante), è ricchissima in ficina che è un miscuglio di proteasi (enzimi) in grado di scindere i legami peptidici e ha attività simile a papaina. Ha proprietà bechiche (bechico: combatte tosse e facilita espettorazione) ed emmenagoghe (emmenagogo: ristabilisce o rende regolare il ciclo mestruale). I frutti sono ricchi di zuccheri (fino al 60% del peso secco) e vitamine (A, B1, C) ingeriti a digiuno hanno effetti lassativi. Discorso a parte per il latice, che si ottiene per incisione del fusto, all'aria rapprende e costituisce la ficina, miscuglio di proteasi ad attività simile alla papaina.

Carboidrati

Idrati del carbonio: (CH2O)_n. Ad ogni atomo di carbonio è associata una molecola di H2O.

Monosaccaridi

I monosaccaridi più diffusi sono esosi (6C, glucosio o fruttosio) e pentosi (5C, desossiribosio e ribosio). La struttura si compone di una sequenza carboniosa, ad ogni carbonio si lega un gruppo ossidrile (-OH) e si ha poi la presenza di un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico. In soluzione acquosa il gruppo aldeidico o chetonico reagisce con il gruppo -OH formando una molecola ad anello o ciclica. C5 e C1 reagiscono con O portando alla formazione della molecola ciclica. In natura i monosaccaridi si trovano in forma ciclica. Possiamo trovare il glucosio ciclico in due forme: α-glucosio e β-glucosio. Per distinguerle si fa riferimento al gruppo ossidrile legato al C1, se l'OH si posiziona nella parte inferiore del piano si tratta di α-glucosio, se invece si posiziona nella parte superiore del piano si tratta di β-glucosio.

Nota Bene: Fruttosio è esoso anche se ha forma pentagono.

Disaccaridi

Derivano da processi di condensazione di due monosaccaridi. La reazione di condensazione dà origine ad un legame glicosidico. Due importanti disaccaridi nel mondo vegetale sono: Maltosio (2 molecole di glucosio) e saccarosio (1 glucosio + 1 fruttosio). Il saccarosio viene ricavato dall'uomo da specifiche specie vegetali che ne contengono grandi quantità:

• Beta Vulgaris: barbabietola da zucchero, viene coltivata nei paesi a clima temperato. È una pianta a ciclo biennale: nel primo anno nella radice si accumulano riserve sotto forma di zucchero, nel secondo si sviluppa il fusto fiorifero. In coltura, per l'estrazione dello zucchero, la pianta viene raccolta al completamento dello sviluppo del primo anno. La droga è nella radice. Oggi l'Europa coltiva 120 milioni di tonnellate di barbabietole e produce 16 milioni di tonnellate di zucchero bianco; la Francia e la Germania sono i maggiori produttori ma, i paesi dell'Unione Europea estraggono zucchero dalle barbabietole in quantità tale da soddisfare il 90% del fabbisogno. In Italia la barbabietola viene coltivata dalla fine del XVII secolo, specialmente nella valle padana e nelle province di Ferrara e di Rovigo.
• Saccharum officinarum L., canna da zucchero, famiglia: (Gramineae – NO Nome antico) Poaceae. Pianta tropicale perenne, di ambienti umidi e caldi, raggiunge in media i 4-5 metri d'altezza. Il caule di 4-6 cm di diametro è utilizzato per estrarre saccarosio, che si accumula nel midollo che riempie il fusto chiamato culmo tipicamente cavo, di interesse alimentare ma anche come correttivo e veicolo di farmaci. La canna da zucchero è una pianta originaria dell'Asia. Venne introdotta in Europa dagli Arabi, prima in Spagna (700 d.C.) e poi in Sicilia (900 d.C.). Oggi la canna da zucchero è coltivata in quasi tutti i paesi dell'Asia, dell'America, in Africa e Australia. In Europa la coltivazione è limitata alla sola Spagna. L'amaro della pianta è un deterrente per i predatori.

Polisaccaridi

Catene composte da un numero molto elevato di monosaccaridi (possono essere uguali o diversi da loro) uniti da legami glicosidici, possono essere lineari o ramificate e sono insolubili in acqua. Il glicogeno è il polisaccaride più importante in animali e piante, l'amido e la cellulosa sono quelli più importanti nelle piante.