Appunti di Biologia vegetale e farmacognosia

Biologia vegetale e farmacognosia

Introduzione

La differenza fra piante e animali è evidente negli organismi più evoluti rispetto a quelli che lo sono meno: un pioppo è palesemente differente da un giaguaro, mentre un’alga e un corallo non possono vantare una tale diversità. Tuttavia, c’è una distinzione netta tra piante e animali che prescinde dall’evoluzione: si tratta del modo in cui si nutrono. Dal punto di vista della nutrizione, infatti, gli animali sono eterotrofi, mentre le piante sono autotrofe. Negli eterotrofi il materiale di partenza è organico, negli autotrofi è inorganico. In particolare, gli organismi autotrofi come le piante riescono a ricavare sostanze organiche da poche sostanze inorganiche presenti nell’ambiente: anidride carbonica presa dall’atmosfera, acqua e ioni inorganici presi dal terreno e luce solare. Partendo solo da queste sostanze, che permettono l’autotrofia, le piante sono in grado di creare anche proteine dall’alto peso molecolare. Dunque, esse sono in grado di far passare le sostanze dallo stato inorganico a quello organico e per fare ciò hanno bisogno di una fonte di energia, ovvero il sole. Quindi, non solo si ha un passaggio da inorganico a organico, ma anche un passaggio da energia luminosa a energia chimica, ovvero l’energia che risiede nei legami delle sostanze organiche appena create.

Fotosintesi

Questo processo viene detto fotosintesi ed è descritto dalla seguente reazione, in presenza di luce:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Il glucosio (sostanza organica) è il prodotto utile, mentre l’ossigeno è il prodotto di scarto, indispensabile per gli animali, che quindi in un certo senso dipendono dalle piante. Gli animali non sono in grado di effettuare il passaggio da inorganico a organico, ma solo da organico a organico, partendo da molecole organiche introdotte con l’alimentazione (da qui l’eterotrofia). Inoltre, gli animali non fanno la fotosintesi, bensì il processo inverso: la respirazione aerobia, dove da glucosio e ossigeno si formano acqua, anidride carbonica ed energia. L’animale può regolare la respirazione aerobia per avere più o meno energia in base alle sue necessità. Le piante respirano sempre, anche di notte quando il sole, ovvero la fonte di energia luminosa, è assente. Questo perché il glucosio che durante il giorno viene prodotto è in parte usato e in parte immagazzinato per essere usato durante la notte. Mentre gli animali fanno solo la respirazione, le piante fanno sia la fotosintesi che la respirazione: nella fotosintesi si ha la produzione di glucosio, nella respirazione il suo utilizzo.

Struttura e crescita delle piante

Piante e animali hanno una struttura di base simile: l’organizzazione cellulare, il metabolismo e la riproduzione. Una cosa che li differenzia è che, mentre gli animali si possono muovere, le piante sono ferme (anche se non del tutto: più la pianta è giovane e più fa dei movimenti come girarsi verso il sole), tutto ciò per esigenze nutritive. Inoltre, le piante hanno una notevole superficie di assorbimento, per assorbire sia anidride carbonica che acqua. L’esposizione di ampie superfici permette anche un efficiente assorbimento della radiazione solare. La pianta ha cinque organi fondamentali: fusto, foglia, frutto, fiore e radice. L’organo deputato all’assorbimento di acqua è la radice. La quasi totalità dell’acqua assorbita viene emessa nuovamente nell’ambiente come vapore. L’organo deputato all’assorbimento di anidride carbonica è la foglia che con la sua clorofilla cattura l’energia luminosa; più la pianta presenta foglie, maggiore sarà la quantità di anidride carbonica assorbita. Gli animali, invece, hanno una superficie di assorbimento che è interna, un esempio è l’intestino. Un altro tema che permette di distinguere piante e animali è la crescita: le piante hanno un accrescimento indefinito, mentre negli animali la crescita dopo un po’ si arresta. L’accrescimento indefinito delle piante avviene grazie a cellule embrionali che vengono sempre prodotte, dette cellule meristematiche (come le cellule staminali che si trovano negli animali). Inoltre, le piante non hanno un sistema nervoso centrale e gerarchico come gli animali; tuttavia, hanno un sistema chimico di risposta, come dimostrato dal salice che quando è attaccato da funghi produce acido salicilico (che può essere trasformato in laboratorio in acido acetilsalicilico, ovvero aspirina).

Classificazione degli organismi

Gli organismi possono essere divisi in procarioti ed eucarioti: i primi sono unicellulari e non hanno una membrana nucleare, i secondi possono essere sia unicellulari che pluricellulari e presentano la membrana nucleare. Gli organismi, inoltre, possono essere classificati in 5 regni:

• Monera: procarioti, quindi unicellulari
• Protista: eucarioti unicellulari
• Plantae: eucarioti pluricellulari
• Animalia: eucarioti pluricellulari
• Fungi: eucarioti unicellulari o pluricellulari (non avendo la clorofilla, non sono classificati come piante)

Come già detto, solo le piante sono in grado di organicare le sostanze, tutto grazie alla luce visibile, biosintetizzando moltissime molecole biologicamente attive. Le piante, quindi, possono essere viste come dei laboratori chimici. I metaboliti, ovvero i prodotti delle reazioni metaboliche, si dividono in primari e secondari.

Metaboliti primari e secondari

• Metaboliti primari: Sono necessari per vivere e possono essere zuccheri, lipidi, proteine, vitamine o sali minerali. Sono prodotti da tutte le piante.
• Metaboliti secondari: A differenza dei metaboliti primari, i secondari non hanno un ruolo ben specifico e riconosciuto nel metabolismo della pianta. Sono necessari per sopravvivere e per migliorare le condizioni della pianta: per la difesa, l’adattamento e l’adescamento. Sono prodotti solo dalle piante dette medicinali perché fonte di principi attivi. Sono prodotti in piccole quantità e perciò la loro estrazione risulta difficile. Se sono prodotti per attrarre animali, i metaboliti secondari vengono chiamati buoni; se sono prodotti per difendersi, allora sono detti tossici. I metaboliti secondari buoni sono molto colorati, infatti li ritroviamo nei fiori e nei frutti, e favoriscono la riproduzione. In particolare, i fiori favoriscono l’impollinazione (ovvero l’incontro tra gineceo e androceo, permesso dalle api che sbattendo con le loro ali distribuiscono il polline del fiore) mentre i frutti favoriscono la disseminazione (l’animale mangia il frutto insieme al seme e poi espelle quest’ultimo in un luogo diverso). L’attrazione degli animali avviene grazie ai flavonoidi, che si dividono in antocianine (colore che varia dal blu al viola e al rosso) e carotenoidi (colore che varia dall’arancione al rosso e al giallo). I metaboliti secondari tossici sono rappresentati dagli alcaloidi, composti azotati con forti effetti farmacologici sui vertebrati. Alcune piante che producono tali metaboliti sono la belladonna, la cicuta e il tasso.

Dai metaboliti secondari vengono ricavati i farmaci. Infatti, l’85% dei farmaci presente sul mercato ha origini naturali, mentre solo il 15% proviene da sintesi chimiche. Questo perché i farmaci naturali comportano meno effetti collaterali. Un esempio di farmaco naturale deriva dal tasso, pianta citotossica che vive isolata. Il tasso produce taxolo, una sostanza antitumorale alla base del farmaco paclitaxel, usato soprattutto per contrastare la leucemia infantile.

Citologia

Una cellula vegetale è formata da una parete cellulare esterna che contiene il protoplasto, a sua volta delimitata dal plasmalemma che contiene il citoplasma. La cellula vegetale ha qualcosa in più rispetto alla cellula animale: la parete cellulare, il vacuolo e i plastidi.

Parete cellulare

Per quanto riguarda il rivestimento esterno, gli animali hanno la membrana cellulare e le piante hanno il plasmalemma, entrambi formati da fosfolipidi e proteine. Membrana cellulare e plasmalemma hanno altre caratteristiche comuni oltre alla composizione: sono elastiche, sottili e fungono da barriere chimiche. Le piante, però, hanno anche la parete cellulare, una barriera piuttosto rigida e spessa fatta di cellulosa (polisaccaride del glucosio), altri polisaccaridi e poche proteine. La parete forma un involucro rigido all’esterno del protoplasto che impedisce alla cellula di rigonfiarsi troppo per assorbimento di acqua e quindi di scoppiare. La cellula vegetale, infatti, avendo nel citoplasma una concentrazione di soluti maggiore di quella esterna, tenderebbe a far entrare continuamente acqua. Inoltre, la parete funge da barriera fisica. A determinare la forma della cellula nell’animale è la membrana cellulare, mentre nei vegetali è la parete cellulare. Basti pensare a un palloncino pieno di acqua messo in una scatola di cartone che rappresenta la parete: il palloncino assume la forma della scatola, la quale è abbastanza rigida poiché fatta di cellulosa, che conferisce alla cellula una resistenza meccanica. Inoltre, la parete non è una barriera chimica, bensì è permeabile, ovvero fa passare ogni cosa. Grazie alla parete, la cellula vegetale ha sempre una forma definita e rigida, di solito geometrica. Anche le dimensioni differiscono da animale e vegetale: la cellula animale è più piccola (fino a 10 – 20 micron) di quella vegetale (mediamente 100 micron, ma anche 500 micron o addirittura centimetri nelle fibre vegetali). Infatti, 100 micron di cellula vegetale contengono lo stesso citoplasma di una cellula animale di 20 micron. I vegetali, quindi, hanno un basso apporto calorico. Ciò è anche dovuto alla presenza del vacuolo, che funge da magazzino e che contiene molta acqua. È molto esteso e può occupare anche il 99% di tutta la cellula (di media ne occupa il 50-60%), schiacciando il resto del citoplasma verso la parete cellulare. Nella cellula vegetale, quindi, la maggior parte dello spazio è occupato dall’acqua; possiamo pertanto usare l’espressione “molta apparenza, poca sostanza”.

È poi presente un’ulteriore membrana oltre al plasmalemma e alla parete: la lamella mediana. La lamella mediana è una membrana esterna alla parete ed è in comune tra due o più cellule figlie: infatti, è il primo setto di separazione che si forma tra due cellule dopo la divisione. La lamella mediana ha una funzione adesiva specifica: tiene adese le cellule vegetali uguali tra loro, ovvero ha anche una funzione di riconoscimento. La funzione adesiva è svolta dalle pectine, in particolare dai pectati di calcio e magnesio. Le pectine sono polisaccaridi di arabinosio, galattosio e acidi glutturonici e sono presenti anche nella parete cellulare. Durante la divisione cellulare, si forma subito la lamella mediana e poi si forma la parete cellulare.

Sviluppo della cellula vegetale

Possiamo suddividere lo sviluppo della cellula vegetale in tre fasi:

• Divisione: La cellula giovanissima viene detta meristematica e ha come unica funzione quella di dividersi; pertanto, abbandona tutte le altre funzioni tipiche delle cellule vegetali adulte: fotosintesi, magazzino, assorbimento. Tali cellule sono presenti anche in organismi più vecchi, permettendo il loro accrescimento indefinito, e si dividono sempre. Hanno la lamella mediana, un citoplasma denso e molti ribosomi per facilitare la sintesi proteica, ma non hanno la parete cellulare o se c’è è molto sottile perché non ha un’utilità particolare in questa fase dello sviluppo della cellula.
• Distensione: La divisione si ferma, la cellula si allunga e si accresce fino a raggiungere le dimensioni di una cellula vegetale adulta. È una fase piuttosto breve (ci vogliono settimane o giorni), diversamente dagli animali dove, come nell’uomo, la crescita si ha entro i primi 18-20 anni di vita.
• Specializzazione: In questa fase la cellula si specializza: se deve fare la fotosintesi, produrrà cloroplasti; se deve accumulare zuccheri, svilupperà soprattutto il vacuolo; se deve far parte della radice, non avrà i cloroplasti ma altre sostanze utili all’assorbimento di acqua.

Una particolarità affascinante della cellula vegetale è che essa può tornare dalla fase 3 alla fase 1. Infatti, se un organo è danneggiato, le cellule adulte specializzate di tale organo tornano allo stato meristematico e l’organo si rigenera. Per questo motivo non esistono tumori delle piante e ciò è utile nel campo delle biotecnologie vegetali. La parete cellulare si forma nella fase di specializzazione perché nelle fasi 1 e 2 essa non serve, dato che conferisce una rigidità non consona con la fase di sviluppo che la cellula sta attraversando. Se invece è presente, sarà sottile o povera di cellulosa (meno rigida, quindi più elastica) e prende il nome di parete primaria. Nella fase 3 si forma la parete vera e propria detta parete secondaria, spessa e ricca di cellulosa.

Composizione della parete cellulare

Per quanto riguarda la composizione della parete, la maggior parte di essa (99%) è costituita da polisaccaridi: cellulosa, emicellulosa e pectine. Mediamente, la cellulosa rappresenta il 20-50%, ma può essere anche il 5% nella parete primaria e 90% nelle pareti più rigide. Oltre ai polisaccaridi, una piccola parte è formata da proteine. La cellulosa, responsabile della rigidità tipica della parete, si trova in forme di sbarrette rigide immerse nella matrice, la quale è fatta di emicellulosa, pectine e proteine. Le sbarrette di cellulosa sono tenute insieme da questa matrice, grazie alle proprietà adesive delle pectine, all’emicellulosa che riempie gli spazi vuoti tra le sbarrette e alle proteine che conferiscono un minimo di elasticità.

Oltre alla cellulosa, che ha funzione strutturale e meccanica, è presente anche l’amido, che ha funzione di riserva come per il glicogeno negli animali. L’amido è un polimero di glucosio costituito da due polisaccaridi; amilosio e amilopectina. L’amilosio presenta legami di tipo alfa 1-4, non ha ramificazioni, tende ad avvolgersi ad elica e può contenere più di mille molecole di glucosio attraverso legami di condensazione. L’amilopectina, con funzione adesiva, ha legami alfa 1-4 come l’amilosio ma presenta delle ramificazioni che si legano alla catena principale con un legame alfa 1-6, comportando un ingombro sterico non indifferente. L’amido viene prodotto e accumulato nelle piante per essere successivamente idrolizzato ed utilizzato per costruire altre molecole o per liberare l’energia contenuta nella molecola attraverso tutte quelle reazioni che portano alla formazione di ATP (respirazione).

Anche la cellulosa è un polimero di glucosio, ma ha legami di tipo beta 1-4 e perciò le molecole sono ruotate di 180° l’una rispetto all’altra. Questa caratteristica favorisce legami tra catene diverse che diventano rigide e parallele, andando a formare le sbarrette di cellulosa. 5 molecole di cellulosa strettamente legate e rigide formano la micella, ovvero l’unità base della cellulosa. Più micelle si uniscono a formare la microfibrilla (circa mille molecole di cellulosa) che a sua volta va a formare la macrofibrilla, con un crescendo di rigidità. Più le fibrille di cellulosa sono rigide, più quella parte del vegetale risulta dura: un esempio è il nocciolo, dove la parete è molto sviluppata. Possono anche esistere delle cellule o gruppi di cellule che presentano la cellulosa isolate dalle altre, ad esempio nella pera, la cui polpa appare granulosa. L’uomo non è in grado di digerire la cellulosa, perché non è in grado di scindere i legami beta 1-4, ma solo quelli alfa 1-4; invece bovini, ovini e funghi che causano la marcescenza del legno riescono a digerirla.

Come già detto, la parete è formata da due porzioni: cellulosa e matrice. La matrice è costituita da emicellulosa, pectine e proteine. Le proteine sono soprattutto estensine, per garantire un minimo di estensibilità, e lectine, per permettere il riconoscimento e la compatibilità. La matrice lega insieme le fibrille e ha una percentuale variabile in base al tipo di parete. Nella parete primaria l’80% è matrice e il 20% è cellulosa, viceversa nella parete secondaria; durante lo sviluppo, dunque, la cellulosa aumenta e la matrice diminuisce.

La parete si forma per accrescimento centripeto, ovvero viene costruita dall’esterno verso l’interno, grazie a enzimi che producono cellulosa e che fanno parte del complesso proteico enzimatico detto cellulosa sintasi, che si trova nel plasmalemma. Man mano che questi enzimi costruiscono la parete, lo spazio cellulare diminuisce. Questo avviene perché la formazione della parete si ha nella fase 3, dove le dimensioni della cellula sono già state definite; quindi, la parete può accrescersi solo in senso centripeto a discapito del lume della cellula. Se la parete è troppo spessa e lo spazio troppo piccolo, allora la cellula può morire, restando tuttavia funzionale. Per mantenere la cellula viva e funzionale, è essenziale mantenere la comunicazione con le cellule adiacenti tramite un’apertura sulle pareti, detta punteggiatura se la parete è sottile o porocanale se la parete è spessa. Le aperture sono piene di citoplasma e quindi vengono anche dette plasmodesmi. Tali aperture, però, non sono dirette: il plasmalemma continua a separare le due cellule, fungendo da barriera chimica.